燃?xì)廨啓C(jī)渦輪葉片前緣氣膜冷卻性能仿真

田佳，李廣超

(沈陽航空航天大學(xué)航空航天工程學(xué)部，沈陽1 10138)

摘要：為探討橢圓形葉片前緣氣膜冷卻特性，采用數(shù)值仿真研究了半橢圓柱形前緣單排圓柱孔在吹風(fēng)比為1.0和2.0時(shí)氣膜冷卻效率。結(jié)果表明：氣膜冷卻效率隨吹風(fēng)比增大而降低，沿著流向先降低再升高。低吹風(fēng)比時(shí)，氣膜孔排距離滯止線越遠(yuǎn)，冷氣在展向擴(kuò)散性越好，氣膜冷卻效率越高。高吹風(fēng)比對(duì)，孔排距離滯止線越遠(yuǎn)，冷氣展向擴(kuò)散性沿流向由差變好。

關(guān)鍵詞：橢圓形前緣;吹風(fēng)比;孔排布局;冷卻效率

DOI: 10.16640/j .cnki.37-1222/t2018.10.011

1 引言

燃?xì)廨啓C(jī)是熱力發(fā)電的重要設(shè)備，燃?xì)廨啓C(jī)熱效率和輸出功率隨著渦輪進(jìn)口燃?xì)鉁囟鹊纳叨嵘F(xiàn)代燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)口溫度已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過葉片材料耐熱極限，必須采用更加高效和可靠的冷卻方式。葉片前緣區(qū)域直接面對(duì)高溫燃?xì)鈦砹鳑_擊，是熱負(fù)荷最嚴(yán)重區(qū)域，由于葉片前緣區(qū)域多排氣膜孔出流相互干擾，傳熱和流動(dòng)狀況非常復(fù)雜，如何有效設(shè)計(jì)前緣區(qū)域氣膜冷卻結(jié)構(gòu)來提高冷卻效率，成為研究者們關(guān)注的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

國內(nèi)外研究者采用實(shí)驗(yàn)和數(shù)值仿真方法對(duì)葉片前緣氣膜冷卻進(jìn)行了大量研究;Mick等分析了吹風(fēng)比對(duì)氣膜冷卻效率的影響。Mehendale等對(duì)葉片前緣有兩排氣膜孔的冷卻效率進(jìn)行了測(cè)量，發(fā)現(xiàn)前排孔的氣膜可以增加后面的邊界層厚度，從而促進(jìn)后排孔冷氣與主流的摻混。Yuen等問對(duì)比研究了順排和錯(cuò)排布置的多排孔氣膜冷卻效率。國內(nèi)李廣超等采用半圓桂模型對(duì)葉片前緣多排圓柱形孔的氣膜冷卻換熱和冷卻效率進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和數(shù)值仿真。李少華等人問對(duì)渦輪葉片前緣多孔氣膜冷卻進(jìn)行數(shù)值仿真，探討流線分布與冷區(qū)死區(qū)變化范圍的關(guān)系。戴萍等人訂對(duì)葉片前緣雙排孔進(jìn)行了氣膜冷卻數(shù)值仿真、，指出孔排與前緣滯止線的距離對(duì)于冷氣貼壁效果有較大影響。雷云濤噸等對(duì)圓柱形前緣雙排交錯(cuò)孔氣膜冷擊口進(jìn)行了數(shù)值仿真，得到了吹風(fēng)比增大冷氣偏移明顯的結(jié)論。

上述有關(guān)文獻(xiàn)都是對(duì)圓柱形葉片前緣氣膜冷卻進(jìn)行研究，而對(duì)橢圓形葉片前緣的研究非常少。本文建立了橢圓形葉片前緣多排孔幾何模型，分析了橢圓形葉片前緣孔排布局對(duì)于氣膜冷卻效率的影響。

2燃?xì)廨啓C(jī)渦輪葉片前緣氣膜冷卻系統(tǒng)原理模型

2.1 葉片前緣氣膜冷卻系統(tǒng)原理模型

圖1是燃?xì)廨啓C(jī)渦輪葉片前緣氣膜冷卻系統(tǒng)原理圖，熱氣從主流通道入口流入，冷氣從二次流通道入口流入并通過葉片前緣布置的三排氣膜孔噴出到主流當(dāng)中，熱氣和冷氣摻混后通過前緣下游布置的兩個(gè)出口流出。其中主流溫度為330 K，給定均勻速度16.1 m/s，二次流入口根據(jù)吹風(fēng)比給定速度，濕度為310 K。

2,2葉片前緣氣膜冷卻可靠性分析

應(yīng)用商業(yè)軟件FLUENT的分離隱式求解器對(duì)三維氣膜冷卻射流流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值仿真。葉片前緣氣膜孔附近網(wǎng)格疏密影響數(shù)值計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確性，葉片前緣第一排氣膜孔下游氣膜冷卻效率如圖2所示，比較網(wǎng)格總數(shù)在1.7 x106，2.2 x106，2_7x106對(duì)的氣膜冷卻效率，可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)網(wǎng)格總數(shù)在2.2×106時(shí)，氣膜冷卻效率幾乎不變，故計(jì)算模型網(wǎng)格數(shù)選取為2.2 x106。

3孔排布局對(duì)氣膜冷卻效率的影響

吹風(fēng)比的大小代表了冷氣穿透主流邊界層進(jìn)入主流核心區(qū)的能力。圖3為單排孔在bf=1.0和br=2.0時(shí)的氣膜冷卻效率云圖。從圖中可以看出在同一吹風(fēng)比下，第1排孔展向擴(kuò)散特性最好?；鲃?dòng)方向，第1排扎在下游實(shí)現(xiàn)了氣膜全覆蓋，第2和第3排孔下游一直存在冷卻死區(qū)。隨著吹風(fēng)比的增大，冷氣在展向偏移更加明顯。

圖4給出了在吹風(fēng)比為1.0和2.0時(shí)，所對(duì)應(yīng)的孔下游氣膜冷卻效率隨x/d的變化情況。圖4(a)是在br=l.0時(shí)，x/d<7，第3排孔冷卻效率最高，因?yàn)榈?排孔孔徑最大且孔間距最小，同樣的吹風(fēng)比下，能更好的實(shí)現(xiàn)氣膜覆蓋。x/d>10時(shí)，第1排孔冷卻效率最高。第3排孔冷卻效率最低，這是因?yàn)榈?排孔離滯止線最遠(yuǎn)，第3排孔離滯止線最近。當(dāng)氣膜孔位置后移時(shí)，所對(duì)應(yīng)的主流區(qū)的速度也變大，相對(duì)減弱了吹風(fēng)比的影響。圖4(b)是br2=0時(shí)，第1，2，3排孔展向平均氣膜冷卻效率隨x/d的變化。x/d<12時(shí)，第3排孔的冷卻效率最高，這說明吹風(fēng)比增大，會(huì)加強(qiáng)孔徑和孔間距對(duì)氣膜冷卻效率的影響。5

4結(jié)論

(1)在氣膜孔下游同一位置，隨著吹風(fēng)比增加，氣腆冷卻效率降低。

(2)氣膜冷卻效率沿流向先下降然后上升，在氣膜孔下游較遠(yuǎn)距離再次下降。

(3)低吹風(fēng)比時(shí)，氣膜孔排距離滯止線越遠(yuǎn)，冷氣在展向擴(kuò)散性越好，氣膜冷卻效率越高。高吹風(fēng)此時(shí)，孔排距離滯止線越近，冷氣的展向擴(kuò)散性沿流向由差變好。

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作者簡(jiǎn)介：田佳(1991-)，男，山西朔州人，碩士研究生，主要研究方向：燃?xì)廨啓C(jī)氣動(dòng)熱力學(xué)。