橢圓形葉片前緣氣膜冷卻特性研究

田佳 李廣超

摘 要：為探討橢圓形前緣對葉片氣膜冷卻特性的影響，建立了3維半橢圓柱葉片前緣模型，利用FLUENT軟件數值模擬研究了半橢圓柱形前緣單排圓柱孔在吹風比為1.0-2.0時孔下游氣膜冷卻效率。結果表明：展向平均氣膜冷卻效率隨吹風比增大而降低，孔中心下游氣膜冷卻效率隨吹風比的增大而降低。吹風比增大時復合角氣膜孔使展向冷氣覆蓋面積變大，展向氣膜冷卻效率降低不明顯。低吹風比時，氣膜孔排距離滯止線越遠，冷氣在展向擴散性越好，氣膜冷卻效率越高。高吹風比時，孔排距離滯止線越遠，冷氣展向擴散性沿流向由差變好。

關鍵詞：橢圓形前緣；圓柱孔；吹風比；冷卻效率

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.09.195

1 引言

燃氣輪機是熱力發電的重要設備，燃氣輪機熱效率和輸出功率隨著渦輪進口燃氣溫度的升高而提升，現代燃氣輪機進口溫度已經遠遠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。葉片前緣區域直接面對高溫燃氣來流沖擊，不僅影響葉片冷卻，還影響葉柵氣動性能，如何有效設計前緣區域氣膜冷卻結構來提高冷卻效率，成為研究者們關注的重點和難點[1]。目前對葉片前緣氣膜冷卻特性的研究都是建立在圓柱形前緣上，而對橢圓形葉片前緣氣膜冷卻特性的研究非常缺乏。橢圓形葉片前緣可以提高渦輪葉柵氣動性能，葉片前緣的形狀設計正由圓形向橢圓形轉變，前緣形狀改變必然導致葉片傳熱和冷卻特性變化，基于此，本文建立了橢圓形葉片前緣氣膜孔幾何模型，分析了橢圓形葉片前緣對氣膜冷卻特性的影響。

國內外研究者采用實驗和數值模擬方法對圓柱形葉片前緣氣膜冷卻進行了大量研究。Cho等[2]分析了吹風比對氣膜冷卻效率的影響。Saumweber等[3]對葉片前緣有兩排氣膜孔的冷卻效率進行了測量，指出吹風比是影響氣膜冷卻的主要因素。Yuen等[4]對比研究了吹風比對順排和錯排布置的多排孔氣膜冷卻效率的影響。國內李廣超等[5]采用半圓柱模型對葉片前緣多排圓柱形孔的氣膜冷卻換熱和冷卻效率進行了實驗和數值模擬。鄭添 [6]研究不同吹風比下速度場和氣膜冷卻效率分布規律，指出孔排與前緣滯止線的距離對于冷氣貼壁效果有較大影響，且吹風比增大冷氣偏移明顯。

2 數值模擬

2.1 計算模型和邊界條件

圖1為前緣氣膜孔布局示意圖，其中橢圓半長軸長a為109.5 mm，半短軸長b為60 mm，橢圓柱面厚度t=15 mm，半橢圓柱后面連接長度L為588 mm的平板。主流通道入口給定均勻速度16.1 m/s，主流溫度310 K，二次流入口根據吹風比給定速度，溫度為330 K 。

根據真實葉片模型，在前緣設置了三排復合角度的圓柱形氣膜孔，以前緣滯止線為基準，各排氣膜孔參數如表1所示。

2.2 網格無關性驗證

網格劃分是在GAMBIT軟件中進行的，計算域及網格如圖2所示，此時第一層網格對應的y+值小于1，為保證網格質量及計算的準確性，需要對該區域進行網格無關性驗證。

應用商業軟件FLUENT的分離隱式求解器對三維氣膜冷卻射流流場進行數值仿真，湍流模型采用Realizable k-ε模型，近壁面采用增強壁面函數處理，壓力和速度的耦合采用SIMPLE算法，各個方程離散均采用二階迎風格式，計算過程中松弛因子采用軟件默認值，求解變量接近收斂時所有殘差開始波動，收斂時，殘差的最大波動小于1x10-6。

3 計算結果及分析

3.1 吹風比對展向氣膜冷卻效率的影響

圖3給出了吹風比對展向氣膜冷卻效率的影響，可以看到隨著吹風比的增大，氣膜孔中心對應的冷卻效率逐漸下降，因為葉片前緣區域的主流邊界層非常薄，吹風比增加使更多冷氣穿透邊界層進入熱氣的核心區，壁面附近冷氣量減少導致冷卻效率降低，復合角度的氣膜孔展向傾角效果會更加明顯。

3.2 吹風比對展向平均氣膜冷卻效率的影響

吹風比的大小代表了冷氣穿透主流邊界層進入主流核心區的能力，從圖4看出，在第1排氣膜孔下游，當x/d<7時，隨著吹風比增加，在相同x/d位置，展向平均氣膜冷卻效率呈下降趨勢，因為葉片前緣主流邊界層非常薄，隨著吹風比增加，冷氣穿透邊界層進入熱氣核心區，使在壁面附近冷氣量減少，冷卻效率降低。當722時，展向平均氣膜冷卻效率沿著流向再次下降，因為冷氣在向下游移動過程中逐漸被主流稀釋，葉片前緣表面溫度不斷上升，冷卻效率降低，反映出冷氣與主流的不斷摻混過程。

3.3 吹風比對孔中心下游氣膜冷卻效率的影響

孔中心下游氣膜冷卻效率與展向平均氣膜冷卻效率對比如圖5所示。x/d<25時，孔中心下游氣膜冷卻效率小于展向平均氣膜冷卻效率，因為氣膜孔與主流流向夾角使冷氣在氣膜孔中心下游發生偏離，氣膜孔流出的冷氣在孔中心下游對應位置附著減少，更多冷氣在展向發生了擴展。x/d>25時，孔中心下游氣膜冷卻效率大于展向平均氣膜冷卻效率，因為相鄰氣膜孔冷氣在展向擴展到該位置，冷卻效率其實是相鄰孔冷氣在展向對應的最高冷卻效率。在x/d>30處，孔中心下游的氣膜冷卻效率始終大于展向平均，因為氣膜達到穩定后實現了全覆蓋。

4 結論

（1）在氣膜孔下游同一位置，隨著吹風比增加，展向平均氣膜冷卻效率降低。由于氣膜孔是復合角，隨著吹風比增加，冷氣在展向偏移更明顯。

（2）展向平均氣膜冷卻效率沿流向先下降然后上升，在氣膜孔下游較遠距離再次下降。孔中心下游氣膜冷卻效率與展向平均氣膜冷卻效率趨勢基本一致。

參考文獻：

[1]楊曉明，張麗，焦騰等.渦輪葉片三維溫度場耦合計算[J].機械設計與制造，2012（08）：18-20.

[2]Cho H H，Rhee D H.Effects of hole arrangement on local heat/mass transfer for impingement/effusion cooling with small hole spacing[R].ASME paper 2001-GT-53685，2004.

[3]Saumweber C，Schulz A.Interaction of film cooling rows：effects of hole geometry and row spacing on the cooling performance downstream of the second row of holes[J].Journal of Tubomachinery，2004，126（02）：237-246.

[4]Martinez R F，Yuen C H N.Measurement of local heat transfer coefficient and film cooling effectiveness through discrete holes[C].ASME Conference Proceedings，2000-GT-0243，2000.

[5]李廣超，朱惠人，白江濤等.氣膜孔布局對前緣氣膜冷卻效率影響的實驗[J].推進技術，2008，29（02）：153-157.

[6]鄭添.渦輪葉片前緣氣膜冷卻的特性研究[D].南京.南京航空航天大學，2016.

作者簡介：田佳（1991-），男，山西朔州人，碩士研究生，主要研究方向：燃氣輪機氣動熱力學。