机械工程师
MECHANICALENGINEER
动叶片综合气膜冷却方式对涡轮气动性能的影响
苏维亮"，朱凯迪”，刘助？
(1.哈尔滨锅炉厂有限责任公司，哈尔滨150046;2.中国船舶重工集团公司第七O三研究所，哈尔滨150078）
摘要：文中计算模型选用某型燃气轮机涡轮的第一列动叶，通过中心差分格式对叶栅流场进行数值模拟。通过在前缘、尾缘、吸力面、压力面以及压力面上端壁附近开设冷气孔，在下端壁前缘附近开设冷气槽等方式对叶片进行综合冷却，分析了能量损失系数、冷却效率以及温度场的分布情况和其对透平的气动性能的影响。结果表明：喷射冷气后，能量损失系数与无冷气喷射时能量损失系数沿叶高分布趋势相同，端区损失略大，中部损失较低，喷射冷气后，顶部能量损失系数略高于根部。组合冷却条件下，叶片中部吸力面和压力面冷却效率都较高，压力面冷却效率基本不变；叶片根部压力面前缘冷却效率较低，吸力面则较高；在顶部情况与根部正好相反。吸力面喷射冷气时，在冷气孔列附近冷气可以很好地贴合叶片吸力面表面，对叶片吸力面进行冷却，压力面一侧在冷气孔列之后冷气很好地贴合在叶片表面，对叶片冷却效果比较理想。
关键词：涡轮；气膜冷却；气动性能
中图分类号：TK474.71 0引言
文献标志码：A
文章编号：1002-2333(2017)02-0109-04
滑移边界，并且叶片表面为绝热条件。透平动叶片进口总
国际燃气轮机技术飞速发展，涡轮前温度逐年提高，而材料的耐温能力则远远落后，这样对涡轮叶片进行必要的冷却就显得十分重要。近年来，气膜冷却作为一种十分重要的冷却方式，越来越受到各国学者的重视。国内外很多学者对气膜冷却进行了深人的研究，Garg、Gauglerl、 Norton等用"ACE动叶"作为计算模型，对其进行数值模拟，预测了换热系数。在气膜冷却机理研究方面，V.L ERIKSEN利用热电偶研究了单孔和空排的气膜冷却传热系数，N.ABUAF等用测量了直叶栅气膜冷却的传热系数与冷却效率。作为当前对叶片最有利的防护措施，气膜冷却的冷却效果主要受以下因素影响：射流孔形状、射流速度比和射流角度。国内学者刘勋、王松涛等6-"在不同方式的气膜冷却数值模拟方面也做了大量工作。
本文在总结相关研究的基础上，结合前面的分析，对某型燃气轮机动叶片不同位置开设冷气孔、冷气槽的综
合冷却方式进行了全三维数值模拟。 1计算模型及软件
本文选用某型燃气轮机涡轮的第一列动叶作为计算模型，综合了前缘冷却、尾缘冷却、吸力面冷却、压力面冷却、端壁冷却和压力面顶部喷射冷气进行冷却，对地面重型燃汽轮机第一级动叶进行了综合冷却。选用NUMECA 软件中Cooling模块进行冷气喷射的数值模拟。使用 Cooling模块需要给出冷气喷射孔列的孔数量、孔列位置、孔口直径等几何参数，还要给出冷气的总温和冷气量等气动参数。Cooling模块模拟冷气喷射的原理是在指定的喷射孔位置处，将壁面冷气喷射孔直径范围内的网格设成质量源，冷气流量平均分布在所有网格上，喷射方向为设定方向。计算采用Spalart-Allmaras渊流模型，时间步长，中心差分。计算网格数目125万，网格为HOH型网格。出口边界条件为径向平衡静压边界条件，设定壁面为无
温1693K，进口总压1551625Pa，出口静压755500Pa。图1 给出计算的网格示意图。
图1计算网格示意图
图2叶片计算模型
前缘采用3列冷气喷射，每列20孔，孔直径0.002m 每列冷气流量占主流流量的0.5%；尾缘冷气孔列与法线方向夹角70°，共20个冷气孔，孔直径0.002m，冷气流量占主流流量的0.74%；吸力面在距离前缘30%弦长开一列冷气孔，20个孔，孔直径0.002m，与法线成60方向喷射冷气，冷气流量占主流流量的1.21%；压力面在距离前缘 10%弦长、45%弦长、75%弦长处，分别开设冷气孔列，每列20孔，孔直径0.002m，每列冷气孔列的冷气喷射方向是与法线成70°喷射冷气，每列冷气流量占主流流量的 0.485%；在动叶片下端壁距离前缘10%弦长处，开设冷气槽，冷气槽宽度0.002m，冷气流量占主流流量0.472%，冷气喷射方向与端壁夹角为30°；在压力面距离上端壁2%叶高处，在压力面开一排冷气孔，每个孔直径是0.002m，共 20个孔，冷气流量占主流流量的0.86%，冷气喷射方向与
上端壁夹角为35°。图2为叶片模型。 2计算结果分析
图3为无冷气喷射与组合冷却工况的能量损失系数沿叶高分布图。由图可以看出，喷射冷气后，能量损失系数与无冷气喷射时能量损失系数沿叶高分布趋势相同，
网址：www.jxgcs.com电邮：hrbengineer@163.com 2017年第2期1109
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