燃氣輪機渦輪葉片前緣氣膜冷卻性能仿真

田佳 李廣超

摘 要：為探討橢圓形葉片前緣氣膜冷卻特性，采用數值仿真研究了半橢圓柱形前緣單排圓柱孔在吹風比為1.0和2.0時氣膜冷卻效率。結果表明：氣膜冷卻效率隨吹風比增大而降低，沿著流向先降低再升高。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；吹風比；孔排布局；冷卻效率

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.10.011

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，是熱負荷最嚴重區域，由于葉片前緣區域多排氣膜孔出流相互干擾，傳熱和流動狀況非常復雜，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]。

國內外研究者采用實驗和數值仿真方法對葉片前緣氣膜冷卻進行了大量研究。Mick等[2]分析了吹風比對氣膜冷卻效率的影響。Mehendale等[3]對葉片前緣有兩排氣膜孔的冷卻效率進行了測量，發現前排孔的氣膜可以增加后面的邊界層厚度，從而促進后排孔冷氣與主流的摻混。Yuen等[4]對比研究了順排和錯排布置的多排孔氣膜冷卻效率。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仿真。李少華等人[6]對渦輪葉片前緣多孔氣膜冷卻進行數值仿真，探討流線分布與冷區死區變化范圍的關系。戴萍等人[7]對葉片前緣雙排孔進行了氣膜冷卻數值仿真、，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。雷云濤[8]等對圓柱形前緣雙排交錯孔氣膜冷卻進行了數值仿真，得到了吹風比增大冷氣偏移明顯的結論。

上述有關文獻都是對圓柱形葉片前緣氣膜冷卻進行研究，而對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于氣膜冷卻效率的影響。

2 燃氣輪機渦輪葉片前緣氣膜冷卻系統原理模型

2.1 葉片前緣氣膜冷卻系統原理模型

圖1是燃氣輪機渦輪葉片前緣氣膜冷卻系統原理圖，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中，熱氣和冷氣摻混后通過前緣下游布置的兩個出口流出。其中主流溫度為330 K，給定均勻速度16.1 m/s，二次流入口根據吹風比給定速度，溫度為310 K 。

2.2 葉片前緣氣膜冷卻可靠性分析

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。葉片前緣氣膜孔附近網格疏密影響數值計算結果準確性，葉片前緣第一排氣膜孔下游氣膜冷卻效率如圖2所示。比較網格總數在，，時的氣膜冷卻效率，可以發現當網格總數大于時，氣膜冷卻效率幾乎不變，故計算模型網格數選取為。

3 孔排布局對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。圖3為單排孔在br=1.0和br=2.0時的氣膜冷卻效率云圖。從圖中可以看出在同一吹風比下，第1排孔展向擴散特性最好。沿流動方向，第1排孔在下游實現了氣膜全覆蓋，第2和第3排孔下游一直存在冷卻死區。隨著吹風比的增大，冷氣在展向偏移更加明顯。

圖4給出了在吹風比為1.0和2.0時，所對應的孔下游氣膜冷卻效率隨x/d的變化情況。圖4（a）是在br=1.0時，x/d<7，第3排孔冷卻效率最高，因為第3排孔孔徑最大且孔間距最小，同樣的吹風比下，能更好的實現氣膜覆蓋。x/d>10時，第1排孔冷卻效率最高，第3排孔冷卻效率最低，這是因為第1排孔離滯止線最遠，第3排孔離滯止線最近。當氣膜孔位置后移時，所對應的主流區的速度也變大，相對減弱了吹風比的影響。圖4（b）是br=2.0時，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，第3排孔的冷卻效率最高，這說明吹風比增大，會加強孔徑和孔間距對氣膜冷卻效率的影響。5

4 結論

（1）在氣膜孔下游同一位置，隨著吹風比增加，氣膜冷卻效率降低。 （2）氣膜冷卻效率沿流向先下降然后上升，在氣膜孔下游較遠距離再次下降。

（3）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，冷氣的展向擴散性沿流向由差變好。

參考文獻：

[1]Lu Y P，Ekkad S V，Bunker R S.Trench film cooling：effect of trench downstream edge and hole spacing[R].ASME Paper GT2008-50606，2008.

[2]Mick W J，Mayle R E.Stagnation film cooling and heat transfer including its effect within the hole pattern[J]. ASME Journal of Turbomachinery，1988，110（01）：66-72.

[3]M Ehendale A B，Han J C.Influence of high mainstream turbulence on leading edge film cooling heat transfer[R].ASME 902GT29，1990.

[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]李少華，張玲，朱勵等.渦輪葉片前緣氣膜冷卻的流線分析[J].中國電機工程學報，2010，30（14）：96-101.

[7]戴萍，林楓.透平葉片前緣氣膜冷卻數值模擬[J].航空動力學報，2009，24（03）：519-525.

[8]雷云濤，林智榮，袁新.透平葉片前緣雙排交錯孔氣膜冷卻數值模擬[J].清華大學學報：自然科學版，2010，30（20）：1843-1847.

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。