氣膜冷卻在熱電聯(lián)產燃氣輪機中的應用

摘 要：熱電聯(lián)產燃氣輪機在人們日常生活中用電和供暖得到了廣泛的應用，然而大量的熱量會對燃氣輪機葉片等工作部件產生損耗，甚至致其報廢，因此采用氣膜冷卻技術來保證葉片及其他部件的正常工作，減少損失。本文數(shù)值模擬了氣膜冷卻對燃氣輪機葉片冷卻效率的影響，結果表明：在槽深一定時，開槽深度越大，燃氣輪機葉片的冷卻效率越低；在槽寬一定時，開槽寬度越大，燃氣輪機葉片的冷卻效率越高。

關鍵詞：氣膜冷卻；熱電聯(lián)產；燃氣輪機；數(shù)值模擬

熱電聯(lián)產燃氣輪機在各個行業(yè)得到了很廣泛的應用，尤其是在熱電廠和民用的供暖方面顯得格外突出。之所以受到重視是因為其具有節(jié)省了大量的資源和能源，降低環(huán)境污染，能提供大量的電力和熱量等等優(yōu)點。

在北方，基本上采用集中供熱的方式，大部分供熱設施都以熱電聯(lián)產燃氣輪機為主。

作為居民小區(qū)供暖的熱源來自于蒸汽，而這些蒸汽是燃氣輪機發(fā)電以后排出的氣體進入余熱鍋爐后而產生的。熱電聯(lián)產燃氣輪機相對于其他方式的燃氣輪機具有燃料利用率高、降低環(huán)境污染、節(jié)省土地面積、水資源少、工作人員少的優(yōu)點，這樣不浪費資源，節(jié)省了大量的資源、人力和財力。

這幾年熱電聯(lián)產燃氣輪機發(fā)展很快，提高其初溫是最大的發(fā)展方向，提高溫度會使燃氣輪機葉片及其他工作零部件遭到破壞，因此必須采用合理的冷卻方式將其過高的溫度降低，目前氣膜冷卻技術是最好的冷卻方式之一。

其原理是在高溫部件表面開若干個小孔，冷卻介質以橫向射流的形式注入主流中，在主流的壓迫作用下，射流彎曲并覆蓋于高溫表面，形成低溫氣膜，進而高溫部件就可以起到隔熱和散熱效果[ 1 ]。氣膜冷卻示意圖如圖1所示。

左紅等[ 2 ]研究了不同橫向槽深度對平均氣膜冷卻效率的影響，發(fā)現(xiàn)深度越深冷卻效果越好。于錦祿等[ 3-4 ]研究了不同橫向寬度對氣膜冷卻效果影響，發(fā)現(xiàn)橫向寬度越大平均冷卻效率越好。

1 計算模型和數(shù)值方法

1.1 計算模型

本文采用的計算模型是在槽深0.5D不變情況下，不同槽寬分別為2D、3D、4D時的氣膜冷卻結構，以及槽寬2D不變情況下，不同槽深分別為0.5D、0.75D、1D時的氣膜冷卻結構，如圖2、圖3所示。

1.2數(shù)值方法

計算時選用Realizable k-湍流模型，采用有限體積法對通用控制方程進行離散，離散格式為二階迎風格式，流場迭代求解方法為SIMPLE算法。

1.3 邊界條件

主流入口和射流入口邊界條件均為速度入口，出口采用壓力出口。主流入口溫度為353.15K，速度設定為10m/s。射流入口溫度293.15K，工質均為空氣。

氣膜冷卻效率定義為：

2 結果的分析和討論

鑒定氣膜冷卻效果好壞指標之一是氣膜冷卻效率η，圖4和圖5分別為在質量比M=0.5時不同槽寬和不同槽深氣膜冷卻結構的冷卻效率曲線圖。

通過冷卻效率曲線能直觀地看出哪種氣膜冷卻結構的冷卻效率較好，由圖4我們可以看出，在槽深0.5D一定時，隨著槽寬的不斷加大，氣膜冷卻結構的冷卻效率不斷降低，在一開始主流和射流相互作用，之后不斷地混合劇烈，致使一開始的冷卻效率高達0.9左右，隨后主流和射流的作用沒有那么明顯，在氣流流到槽內的時候會產生阻礙主流和射流相互作用的渦流，這些渦流會使氣流在壁面上的貼壁性不好，從而降低了冷卻效率。隨著槽寬的寬度不斷的增大，這樣的渦流也會隨之增加，氣流進入壁面的距離越來越遠，氣膜冷卻孔在出口的面積也會越來越小，致使冷卻效率降低。結構1到最后的冷卻效率趨于平穩(wěn)，達到0—0.3左右，結構2到最后的冷卻效率趨于平穩(wěn)，達到0—0.2左右，結構3到最后的冷卻效率趨于平穩(wěn)，達到0—0.1左右，總之隨著槽寬的逐漸加寬，氣膜冷卻結構的冷卻效率越來越低。

由圖5我們可以看出，在槽深2D一定時，隨著槽深的不斷增大，氣膜冷卻結構的冷卻效率不斷升高，剛開始主流進入槽過程中與射流摻雜劇烈，冷卻效率高達1.0左右。隨后到了氣膜冷卻孔的下游，這種摻雜程度越來越緩慢，形成的渦對距離壁面較遠，因此冷卻效率逐漸降低，但是相對于圖4中的冷卻效率，圖5中的冷卻效率整體較高。這是由于隨著槽深不斷加大，射流的核心區(qū)域會形成與渦對相抵消作用的其他反向渦，這種反向渦會促使主射流相互作用，并且使氣體在氣膜冷卻孔在出口的面積增大，增大了氣體在壁面上的貼壁性，致使冷卻效率升高。

3 總結

基于熱電聯(lián)產燃氣輪機在這幾年的廣泛應用，為了解決溫度過高對燃氣輪機葉片等零部件的損壞，本文研究了氣膜冷卻技術在熱電聯(lián)產燃氣輪機的應用，分別分析了不同槽寬和不同槽深對氣膜冷卻效率的影響，得出的結論如下：

1）在槽深0.5D不變下，隨著槽寬的不斷增加，氣膜冷卻結構的冷卻效率越來越低。

2）在槽寬2D不變下，隨著槽深的不斷增加，氣膜冷卻結構的冷卻效率越來越高。

3）在本文研究范圍內，開槽寬度為2D、開槽深度為1D的氣膜冷卻結構冷卻效率最高，而開槽寬度為4D、開槽深度為0.5D的氣膜冷卻結構冷卻效率最低。

參考文獻：

[1] 葛紹巖，劉登瀛，徐靖中，氣膜冷卻[M].北京：科學出版社，1985.

[2] 左紅，王鵬，武衛(wèi)等.橫向槽深度對氣膜孔冷卻性能影響數(shù)值研究[J].機械科學與技術， 2008， 27（9）：1252-1260.

[3] 于錦祿，趙罡，何立明等.橫向槽橫向寬度對氣膜孔冷卻性能影響的數(shù)值研究[J].中國電機工程學報， 2010， 30（17）：79-84.

[4] 于錦祿，何立明，蔣永健等.帶橫向槽的氣膜冷卻結構冷卻性能數(shù)值研究[J].機械設計與制造， 2008（3）：128-130.

作者簡介：

王沖（1988-），男，漢族，吉林長春人，碩士，研究方向：能源動力。