槽縫射流旋流比和密度比對渦輪端壁冷卻和吸力面泛冷卻性能的影響

張塏垣,李志剛,宋立明,李軍,2

(1.西安交通大學能源與動力工程學院,710049,西安;2.先進航空發動機協同創新中心,100191,北京)

燃氣輪機和航空發動機為了提高熱效率、減少溫室氣體排放,燃氣渦輪進口溫度不斷增加,導致渦輪端壁的熱負荷急劇增大。為了降低端壁的熱負荷保證端壁安全運行,在端壁采用上游槽縫射流冷卻、端壁氣膜冷卻和端壁葉柵通道間隙射流冷卻等復合冷卻結構。其中上游槽縫射流冷卻能夠阻止高溫主流燃氣入侵盤腔,同時因為端壁面具有冷卻效果而得到重視和研究[1]。

科研人員采用實驗與數值方法研究了上游槽縫射流對透平端壁冷卻性能的影響。Wright等采用靜止實驗臺研究了槽縫和氣膜孔射流對端壁冷卻氣分布及二次渦的影響[2]。Suryanarayanan等采用旋轉實驗臺研究了槽縫射流流量及轉速對動葉端壁冷卻效果的影響[3]。Du等采用數值模擬的方法研究了槽縫結構及進口不重合度對第一級靜葉端壁冷卻的影響[4-5]。Mensch等實驗研究了端壁下表面沖擊冷卻和氣膜冷卻對存在導熱端壁的耦合傳熱的影響[6]。祝培源等提出了3種漸縮梯形間隙結構,采用數值模擬的方法研究了槽縫幾何及位置對端壁冷卻性能的影響[7]。李勁勁等數值模擬研究了前緣氣膜孔布置對端壁冷卻及傳熱的影響[8]。由葉片安裝誤差及熱膨脹導致的固有通道間隙同樣對端壁存在一定的冷卻效果,楊星等數值模擬研究了通道間隙射流角、流量及錯位對端壁冷卻的影響[9-10]。

由于旋轉實驗臺的傳熱測量較為困難,而旋轉效應對端壁的冷卻有重要影響,近年來研究人員在靜止的動葉實驗臺上針對旋轉帶來的動葉與射流的相對運動問題進行了類比實驗。Barigozzi等采用可變角度槽縫射流結構,模擬了動葉旋轉導致的靜止槽縫射流入射角的變化,研究了入射角對傳熱及氣動性能的影響[11],結果表明負角度射流會增強二次渦強度并削弱冷卻效果,同時證實了此種類比方法在預測預旋槽縫射流對動葉端壁冷卻效果分布影響及二次流發展的有效性,并且可以提供較為準確的細節特征,但也指出了由于忽略上游靜葉而對其他旋轉效應的預測存在一定局限性。Matthew等通過安裝導葉改變槽縫射流預旋,實驗研究了吹風比及旋流比對端壁冷卻的影響,結果表明帶預旋槽縫射流比不帶預旋槽縫射流冷卻效果更差[12]。Li等在靜止直列葉柵上實驗研究了0.4、1.0兩個模擬旋流比槽縫射流與進口湍動度對端壁冷卻及吸力面二次冷卻的影響,結果表明旋流在流量較大時會增強二次渦強度并削弱端壁冷卻效果[13]。此外,針對葉片二次冷卻,Zhang等實驗研究了主流旋流位置對吸力面上游、下游兩部分的泛冷卻的影響[14]。

目前,對于在靜止葉柵中模擬動葉旋轉效應對端壁冷卻性能影響的研究開展較少,本文采用預旋槽縫射流類比動葉旋轉效應的方法,針對具有多種冷卻結構的直列葉柵,數值模擬研究了上游槽縫射流旋流比及密度比對渦輪端壁冷卻及葉片吸力面泛冷卻的影響,可為高效端壁冷卻布局提供參考。

1 計算模型和數值方法

1.1 計算模型

(a)計算幾何結構示意圖

(b)俯視圖

(c)冷卻結構示意圖圖1 計算幾何結構

圖1給出了實驗測量的葉柵型線和端壁冷卻結構布局[15],其中端壁冷卻結構包括上游槽縫、壓力面側11個氣膜孔、吸力面側下游5個氣膜孔以及流道通道間隙,通道間隙下方均勻布置30個入射孔用以模擬間隙泄漏,傾斜角度與葉片安裝角近似相同。上游槽縫與端壁夾角為25°,出口寬度為0.2 cm。表1給出了具體的幾何參數。

表1 幾何結構主要參數

1.2 數值方法和驗證

對于槽縫射流旋流比Rs,在旋轉葉柵中,定義槽縫射流周向速度為動葉旋轉速度的Rs倍;而在靜止葉柵中,為模擬旋轉效應下槽縫射流的冷卻性能,需保證預旋槽縫射流與端壁的相對速度與旋轉工況相一致,定義槽縫射流周向分速度為原動葉旋轉速度Vr=142.5 m/s的(1-Rs)倍。

通過改變冷卻射流工質,可實現密度比

Rd=ρc/ρ∞

(1)

式中:ρc、ρ∞分別為標準狀況下冷卻氣體和主流流體的密度。Rd=1.0時表示冷卻流體和主流采用相同工質。

吹風比的定義為

(2)

式中:Vc、V∞分別為冷卻氣體與主流的速度。

圖2給出了采用ANSYS ICEM生成的計算模型結構化網格。在固壁面附近進行網格加密以保證不同湍流模型的y+要求,經過網格無關性驗證選取330萬計算網格開展研究。

圖2 計算區域網格

在吹風比與密度比均為1.0時,計算4種湍流模型端壁冷卻效率,并與實驗測量[12]結果進行對比,如圖3所示。標準k-ω和標準k-ε湍流模型過高預測了前緣附近冷卻效率,RNGk-ε湍流模型和標準k-ε湍流模型過高預測了間隙附近冷卻效率。綜合考慮前緣附近端壁、通道間隙下游端壁及邊界層內橫向壓力梯度的計算精度情況,SSTk-ω湍流模型與實驗值吻合良好,因此本文選取SSTk-ω湍流模型進行計算。

(a)端壁橫向平均冷卻效率

(b)端壁冷卻效率分布云圖圖3 不同湍流模型的端壁冷卻效率計算結果與實驗結果的對比

2 結果分析

采用4種旋流比和3種密度比,研究了上游槽縫射流旋流比和密度比對端壁冷卻性能和吸力面泛冷卻性能的影響。同時考慮了端壁氣膜冷卻結構和葉柵通道間隙射流的復合冷卻作用。

2.1 槽縫射流旋流比的影響

采用槽縫射流旋流比分別為0.4、0.6、0.8和1.0,在3種密度比下研究了旋流比對端壁冷卻性能的影響。采用絕熱冷卻效率η作為評價端壁冷卻性能的指標,即

(3)

式中:T∞、Taw和Tc分別為主流溫度、絕熱壁面溫度和冷卻氣流溫度。

圖4給出了3種槽縫射流密度比Rd在旋流比Rs分別為0.4、0.6、0.8、1.0時上游端壁的冷卻效率云圖和速度矢量圖。由圖4可知,旋流比顯著影響槽縫射流在上游端壁橫向及軸向的覆蓋特性。當Rd=1.0、Rs=1.0時,上游槽縫射流在其下游端壁上的覆蓋面積、軸向覆蓋距離達到最大值。隨旋流比減小,上游槽縫射流冷氣更靠近吸力面側,且軸向覆蓋距離與面積減小。這是由于上游槽縫射流具有較高的體積流量,冷卻射流足以阻止主流入侵,并覆蓋吸力面側葉根位置。隨旋流比的減小,由于主流與冷卻射流周向速度相反,導致馬蹄渦強度增加,減弱了冷卻射流對下游端壁的冷卻效果,同時冷卻射流在更短的軸向距離內脫離壁面。

(a)Rs=0.4

(b)Rs=0.6

(c)Rs=0.8

(d)Rs=1.0圖4 上游端壁冷卻效率云圖及速度矢量圖

當密度比較大,即Rd=1.5,2.0時,隨Rs的減小,槽縫射流覆蓋的軸向距離不斷減小;而對于其下游端壁橫向覆蓋范圍,Rs=0.8相對于Rs=1.0沒有明顯差異。當旋流比進一步減小時,橫向覆蓋范圍不斷增加,Rd=2.0時增加更為顯著。這主要是由于密度比較大時,冷卻射流體積流量較小,一部分槽縫結構存在主流入侵現象,旋流比減小帶來的軸向速度增強了其阻止主流入侵的能力,從而擴大了對其下游端壁的橫向覆蓋區域。

圖5給出了過前緣點截面2的冷卻效率云圖及流線圖。前緣附近二次渦主要受槽縫射流及前緣附近后向氣膜孔射流影響。當Rd=1.0時,隨旋流比的減小,馬蹄渦向下游靠近葉片前緣的方向移動,槽縫射流對前緣角區冷卻有所增強;當旋流比Rs>0.6時,由于后向氣膜孔射流在馬蹄渦及葉片間角區形成較強的二次渦,因此對前緣角區的仍然保持較好的冷卻效果。

(a)截面位置示意圖

(b)Rs=0.4

(c)Rs=0.6

(d)Rs=0.8

(e)Rs=1.0圖5 截面2冷卻效率及流線圖

當Rd=1.5、Rs=1.0時,后向氣膜孔射流引起的二次渦使得前緣角區得到了較好的冷卻;隨著旋流比的進一步減小,馬蹄渦向下游移動,導致前緣角區及附近端壁未冷卻區域面積有所減小。

當Rd=2.0時,減小旋流比會使得前緣角區及附近端壁冷卻情況有所改善;尤其當Rs=0.4時,槽縫冷卻射流貼壁良好,馬蹄渦強度得到削弱,明顯改善了前緣附近端壁的冷卻效果。

圖6給出了3種密度比下、不同旋流比作用下端壁橫向平均冷卻效率曲線圖,其對端壁的影響可持續到Z=0.5。由圖6可知:當Rd=1.0時,由于槽縫射流軸向覆蓋距離的縮短,隨旋流比的減小,其對下游端壁的冷卻效果不斷削弱;當Rd=1.5,2.0時,由于減小旋流比會增加槽縫射流橫向覆蓋寬度并減小軸向覆蓋距離,端壁冷卻效果隨旋流比減小呈現先減小后增大的趨勢,當Rd=1.5、Rs=1.0時和Rd=2.0、Rs=0.4時的冷卻效果達到最佳值。

(a)Rd=1.0

(b)Rd=1.5

(c)Rd=2.0圖6 不同旋流比端壁橫向平均冷卻效率曲線

2.2 槽縫射流密度比的影響

采用槽縫射流密度比分別為1.0、1.5和2.0在4種旋流比下研究密度比對端壁冷卻性能的影響。由圖4可知,在4種旋流比下,增大冷卻射流密度比會減小其流速及體積流率,從而減小其軸向覆蓋距離,并且當旋流比較小時,由于主流與冷卻射流周向相對速度較大,其趨勢更為明顯。當Rs=1.0,0.8時,增大冷卻射流密度比會導致其對端壁周向覆蓋寬度減小,這是由于增大密度比帶來的流速降低會進一步增大槽縫主流入侵的趨勢;當Rs=0.4,0.6時,由于槽縫幾乎不存在主流入侵現象,因此其對端壁的周向覆蓋寬度較寬,且隨密度比的增加覆蓋寬度沒有明顯的減小趨勢。

圖7給出了截面1上冷卻效率云圖及流線圖。由圖7可知,在4種旋流比下,隨密度比的增大,冷卻射流在端壁上的覆蓋厚度逐漸減小。當Rs=1.0,0.8時,隨密度比Rd的增大分離渦向遠離吸力面的方向移動,這是因為旋流比較大時槽縫存在一定的主流入侵,增大密度比會導致主流入侵區域寬度的進一步增加;當Rs=0.6,0.4時,隨密度比的增大分離渦向靠近吸力面的方向移動,這主要是由于較小旋流比下槽縫射流完全克服了主流入侵現象,同時密度比較大的帶預旋槽縫射流保持其原有速度方向的能力更強。壓力面側馬蹄渦位置隨密度比的增大沒有明顯變化,其強度隨密度比的增加有所減小,這是由于主流與冷卻射流周向分速度方向相反是增強壓力面側馬蹄渦的主要因素之一,隨密度比的增加,冷卻射流的流速及體積流率逐漸減小,從而削弱了壓力面側馬蹄渦的強度。

(a)Rs=1.0 (b)Rs=0.8

(c)Rs=0.6 (d)Rs=0.4圖7 截面1冷卻效率及流線圖

不同密度比端壁橫向平均冷卻效率曲線如圖8所示。由圖8可知,隨Rd的增加,冷卻射流對端壁的冷卻效果不斷減弱,且隨Rs的增大,其減弱趨勢不斷增強。當Rs=0.4時,前緣附近冷卻效率從Rd=1.0時的0.75降為Rd=2.0時的0.65,而當Rs=1.0時,前緣附近冷卻效率從Rd=1.0時的0.8降為Rd=2.0時的0.55。冷卻效率最低值隨旋流比的增加向下游移動,當Rs=0.4時位于Z=0.25,而到Rs=1.0時位于Z=0.35。

(a)Rs=0.4 (b)Rs=0.6

(c)Rs=0.8 (d)Rs=1.0圖8 不同密度比端壁橫向平均冷卻效率曲線

2.3 槽縫射流對葉片吸力面泛冷卻的影響

本節分析了上游槽縫射流旋流比和密度比對葉片吸力面泛冷卻(二次冷卻)性能的影響。

(a)Rs=0.4

(b)Rs=0.6

(c)Rs=0.8

(d)Rs=1.0圖9 S3冷卻效率云圖

圖9給出了吸力面靠近葉根部分S3面上的冷卻效率云圖。由圖9可知,當密度比保持不變時,隨旋流比的增大,槽縫射流對葉片吸力面的泛冷卻覆蓋面積逐漸減小,且覆蓋區域的位置向下游及靠近端壁的方向發展,隨旋流比的減小,吸力面側馬蹄渦及分離渦向靠近吸力面的方向移動,因此隨馬蹄渦脫離壁面的冷卻射流會更快地附著到葉片吸力面。當保持旋流比不變時,增加冷卻射流密度比會導致吸力面泛冷卻面積顯著減小,且向靠近端壁的方向移動,這主要是由隨密度比增加而下降的體積流率及流速導致的。

圖10給出了S3上平均冷卻效率曲線。當保持密度比不變時,隨旋流比的增大,S3面上泛冷卻效率不斷降低,且隨密度比的增大,其降低趨勢更加明顯。當保持旋流比不變時,增大密度比會導致泛冷卻效率降低;當Rs=1.0時,Rd=1.0時比Rd=2.0時的泛冷卻效率高約7%;而當Rs=0.8時,3種密度比的泛冷卻效率分別為65.6%、45.3%和38.5%,Rd=1.0時和Rd=2.0時的泛冷卻效率差值達到最大,約為27%。

圖10 S3面平均冷卻效率

3 結 論

本文采用數值模擬的方法,研究了上游槽縫射流旋流比及密度比對端壁冷卻和吸力面泛冷卻性能的影響,得到如下結論。

(1)當密度比為1.0時,旋流比減小會導致下游端壁冷卻效果不斷減弱;當密度比為1.5、2.0時,端壁冷卻效果隨旋流比減小呈現先減小后增大的趨勢。Rd=1.5時冷卻效率在Rs=1.0達到最佳值,Rd=2.0時冷卻效率在Rs=0.4達到最佳值。

(2)隨密度比Rd的增加,冷卻射流對端壁的冷卻效果不斷降低,且隨旋流比Rs的增大,其減弱趨勢不斷增強。當Rs=0.4時效率由0.75降為0.65,而當Rs=1.0時效率由0.8降為0.55;冷卻效率最低值隨旋流比的增加向下游移動。

(3)在密度比一定的情況下,隨旋流比增大,槽縫射流對葉片吸力面的泛冷卻覆蓋面積逐漸減小,且覆蓋區域的位置向下游及靠近端壁的方向發展,對S3面的冷卻效率不斷降低。

(4)在旋流比一定的情況下,隨密度比的增加,槽縫射流體積流率和流速減小,導致吸力面泛冷卻面積顯著減小,且向靠近端壁的方向移動,S3面平均泛冷卻效率降低。