燃气轮机涡轮叶片前缘气膜冷却性能仿真

田佳 李广超

摘 要：为探讨椭圆形叶片前缘气膜冷却特性，采用数值仿真研究了半椭圆柱形前缘单排圆柱孔在吹风比为1.0和2.0时气膜冷却效率。结果表明：气膜冷却效率随吹风比增大而降低，沿着流向先降低再升高。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；吹风比；孔排布局；冷却效率

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

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，是热负荷最严重区域，由于叶片前缘区域多排气膜孔出流相互干扰，传热和流动状况非常复杂，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]。

国内外研究者采用实验和数值仿真方法对叶片前缘气膜冷却进行了大量研究。Mick等[2]分析了吹风比对气膜冷却效率的影响。Mehendale等[3]对叶片前缘有两排气膜孔的冷却效率进行了测量，发现前排孔的气膜可以增加后面的边界层厚度，从而促进后排孔冷气与主流的掺混。Yuen等[4]对比研究了顺排和错排布置的多排孔气膜冷却效率。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仿真。李少华等人[6]对涡轮叶片前缘多孔气膜冷却进行数值仿真，探讨流线分布与冷区死区变化范围的关系。戴萍等人[7]对叶片前缘双排孔进行了气膜冷却数值仿真、，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。雷云涛[8]等对圆柱形前缘双排交错孔气膜冷却进行了数值仿真，得到了吹风比增大冷气偏移明显的结论。

上述有关文献都是对圆柱形叶片前缘气膜冷却进行研究，而对椭圆形叶片前缘的研究非常少。本文建立了椭圆形叶片前缘多排孔几何模型，分析了椭圆形叶片前缘孔排布局对于气膜冷却效率的影响。

2 燃气轮机涡轮叶片前缘气膜冷却系统原理模型

2.1 叶片前缘气膜冷却系统原理模型

图1是燃气轮机涡轮叶片前缘气膜冷却系统原理图，热气从主流通道入口流入，冷气从二次流通道入口流入并通过叶片前缘布置的三排气膜孔喷出到主流当中，热气和冷气掺混后通过前缘下游布置的两个出口流出。其中主流温度为330 K，给定均匀速度16.1 m/s，二次流入口根据吹风比给定速度，温度为310 K 。

2.2 叶片前缘气膜冷却可靠性分析

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。叶片前缘气膜孔附近网格疏密影响数值计算结果准确性，叶片前缘第一排气膜孔下游气膜冷却效率如图2所示。比较网格总数在，，时的气膜冷却效率，可以发现当网格总数大于时，气膜冷却效率几乎不变，故计算模型网格数选取为。

3 孔排布局对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。图3为单排孔在br=1.0和br=2.0时的气膜冷却效率云图。从图中可以看出在同一吹风比下，第1排孔展向扩散特性最好。沿流动方向，第1排孔在下游实现了气膜全覆盖，第2和第3排孔下游一直存在冷却死区。随着吹风比的增大，冷气在展向偏移更加明显。

图4给出了在吹风比为1.0和2.0时，所对应的孔下游气膜冷却效率随x/d的变化情况。图4（a）是在br=1.0时，x/d<7，第3排孔冷却效率最高，因为第3排孔孔径最大且孔间距最小，同样的吹风比下，能更好的实现气膜覆盖。x/d>10时，第1排孔冷却效率最高，第3排孔冷却效率最低，这是因为第1排孔离滞止线最远，第3排孔离滞止线最近。当气膜孔位置后移时，所对应的主流区的速度也变大，相对减弱了吹风比的影响。图4（b）是br=2.0时，第1，2，3排孔展向平均气膜冷却效率随x/d的变化。x/d<12时，第3排孔的冷却效率最高，这说明吹风比增大，会加强孔径和孔间距对气膜冷却效率的影响。5

4 结论

（1）在气膜孔下游同一位置，随着吹风比增加，气膜冷却效率降低。 （2）气膜冷却效率沿流向先下降然后上升，在气膜孔下游较远距离再次下降。

（3）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，冷气的展向扩散性沿流向由差变好。

参考文献：

[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]李少華，张玲，朱励等.涡轮叶片前缘气膜冷却的流线分析[J].中国电机工程学报，2010，30（14）：96-101.

[7]戴萍，林枫.透平叶片前缘气膜冷却数值模拟[J].航空动力学报，2009，24（03）：519-525.

[8]雷云涛，林智荣，袁新.透平叶片前缘双排交错孔气膜冷却数值模拟[J].清华大学学报：自然科学版，2010，30（20）：1843-1847.

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。