椭圆形叶片前缘气膜冷却特性研究

摘 要：为探讨椭圆形前缘对叶片气膜冷却特性的影响，建立了3维半椭圆柱叶片前缘模型，利用FLUENT软件数值模拟研究了半椭圆柱形前缘单排圆柱孔在吹风比为1.0-2.0时孔下游气膜冷却效率。结果表明：展向平均气膜冷却效率随吹风比增大而降低，孔中心下游气膜冷却效率随吹风比的增大而降低。吹风比增大时复合角气膜孔使展向冷气覆盖面积变大，展向气膜冷却效率降低不明显。低吹风比时，气膜孔排距离滞止线越远，冷气在展向扩散性越好，气膜冷却效率越高。高吹风比时，孔排距离滞止线越远，冷气展向扩散性沿流向由差变好。

关键词：椭圆形前缘；圆柱孔；吹风比；冷却效率

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

1 引言

燃气轮机是热力发电的重要设备，燃气轮机热效率和输出功率随着涡轮进口燃气温度的升高而提升，现代燃气轮机进口温度已经远远超过叶片材料耐热极限，必须采用更加高效和可靠的冷却方式。叶片前缘区域直接面对高温燃气来流冲击，不仅影响叶片冷却，还影响叶栅气动性能，如何有效设计前缘区域气膜冷却结构来提高冷却效率，成为研究者们关注的重点和难点[1]。目前对叶片前缘气膜冷却特性的研究都是建立在圆柱形前缘上，而对椭圆形叶片前缘气膜冷却特性的研究非常缺乏。椭圆形叶片前缘可以提高涡轮叶栅气动性能，叶片前缘的形状设计正由圆形向椭圆形转变，前缘形状改变必然导致叶片传热和冷却特性变化，基于此，本文建立了椭圆形叶片前缘气膜孔几何模型，分析了椭圆形叶片前缘对气膜冷却特性的影响。

国内外研究者采用实验和数值模拟方法对圆柱形叶片前缘气膜冷却进行了大量研究。Cho等[2]分析了吹风比对气膜冷却效率的影响。Saumweber等[3]对叶片前缘有两排气膜孔的冷却效率进行了测量，指出吹风比是影响气膜冷却的主要因素。Yuen等[4]对比研究了吹风比对顺排和错排布置的多排孔气膜冷却效率的影响。国内李广超等[5]采用半圆柱模型对叶片前缘多排圆柱形孔的气膜冷却换热和冷却效率进行了实验和数值模拟。郑添 [6]研究不同吹风比下速度场和气膜冷却效率分布规律，指出孔排与前缘滞止线的距离对于冷气贴壁效果有较大影响，且吹风比增大冷气偏移明显。

2 数值模拟

2.1 计算模型和边界条件

图1为前缘气膜孔布局示意图，其中椭圆半长轴长a为109.5 mm，半短轴长b为60 mm，椭圆柱面厚度t=15 mm，半椭圆柱后面连接长度L为588 mm的平板。主流通道入口给定均匀速度16.1 m/s，主流温度310 K，二次流入口根据吹风比给定速度，温度为330 K 。

根据真实叶片模型，在前缘设置了三排复合角度的圆柱形气膜孔，以前缘滞止线为基准，各排气膜孔参数如表1所示。

2.2 网格无关性验证

网格划分是在GAMBIT软件中进行的，计算域及网格如图2所示，此时第一层网格对应的y+值小于1，为保证网格质量及计算的准确性，需要对该区域进行网格无关性验证。

应用商业软件FLUENT的分离隐式求解器对三维气膜冷却射流流场进行数值仿真，湍流模型采用Realizable k-ε模型，近壁面采用增强壁面函数处理，压力和速度的耦合采用SIMPLE算法，各个方程离散均采用二阶迎风格式，计算过程中松弛因子采用软件默认值，求解变量接近收敛时所有残差开始波动，收敛时，残差的最大波动小于1x10-6。

3 计算结果及分析

3.1 吹风比对展向气膜冷却效率的影响

图3给出了吹风比对展向气膜冷却效率的影响，可以看到随着吹风比的增大，气膜孔中心对应的冷却效率逐渐下降，因为叶片前缘区域的主流边界层非常薄，吹风比增加使更多冷气穿透边界层进入热气的核心区，壁面附近冷气量减少导致冷却效率降低，复合角度的气膜孔展向倾角效果会更加明显。

3.2 吹风比对展向平均气膜冷却效率的影响

吹风比的大小代表了冷气穿透主流边界层进入主流核心区的能力，从图4看出，在第1排气膜孔下游，当x/d<7时，随着吹风比增加，在相同x/d位置，展向平均气膜冷却效率呈下降趋势，因为叶片前缘主流边界层非常薄，随着吹风比增加，冷气穿透边界层进入热气核心区，使在壁面附近冷气量减少，冷却效率降低。当722时，展向平均气膜冷却效率沿着流向再次下降，因为冷气在向下游移动过程中逐渐被主流稀释，叶片前缘表面温度不断上升，冷却效率降低，反映出冷气与主流的不断掺混过程。

3.3 吹风比对孔中心下游气膜冷却效率的影响

孔中心下游气膜冷却效率与展向平均气膜冷却效率对比如图5所示。x/d<25时，孔中心下游气膜冷却效率小于展向平均气膜冷却效率，因为气膜孔与主流流向夹角使冷气在气膜孔中心下游发生偏离，气膜孔流出的冷气在孔中心下游对应位置附着减少，更多冷气在展向发生了扩展。x/d>25时，孔中心下游气膜冷却效率大于展向平均气膜冷却效率，因为相邻气膜孔冷气在展向扩展到该位置，冷却效率其实是相邻孔冷气在展向对应的最高冷却效率。在x/d>30处，孔中心下游的气膜冷却效率始终大于展向平均，因为气膜达到稳定后实现了全覆盖。

4 结论

（1）在气膜孔下游同一位置，随着吹风比增加，展向平均气膜冷却效率降低。由于气膜孔是复合角，随着吹风比增加，冷气在展向偏移更明显。

（2）展向平均气膜冷却效率沿流向先下降然后上升，在氣膜孔下游较远距离再次下降。孔中心下游气膜冷却效率与展向平均气膜冷却效率趋势基本一致。

参考文献：

[1]杨晓明，张丽，焦腾等.涡轮叶片三维温度场耦合计算[J].机械设计与制造，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]李广超，朱惠人，白江涛等.气膜孔布局对前缘气膜冷却效率影响的实验[J].推进技术，2008，29（02）：153-157.

[6]郑添.涡轮叶片前缘气膜冷却的特性研究[D].南京.南京航空航天大学，2016.

作者简介：田佳（1991-），男，山西朔州人，硕士研究生，主要研究方向：燃气轮机气动热力学。

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