燃氣輪機透平靜葉端壁氣膜冷卻的數值研究*

張 玲 謝恒龍

(東北電力大學能源與動力工程學院)

燃氣輪機透平靜葉端壁氣膜冷卻的數值研究*

張 玲**謝恒龍

(東北電力大學能源與動力工程學院)

對葉柵通道端壁與氣膜孔進行了建模、網格劃分和設置邊界條件。通過改變射流入射角度、吹風比和氣膜孔排列方式，對端壁復合角度氣膜孔的傳熱特性進行了分析。模擬結果表明：當采用復合角度時端壁努塞爾數比單一角度相同位置的努塞爾數大，當復合角度為α=35°、β=45°時努塞爾數最大；隨吹風比的增大,努塞爾數逐漸增加；當復合角度為α=30°、β=45°時，氣膜孔采用插排布置傳熱效果最好。

燃氣輪機 端壁氣膜冷卻 傳熱特性 努塞爾數 吹風比 復合角度

近年來，燃氣輪機在石油化工領域有著廣泛的應用，是發電技術中的一項關鍵設備[1～4]。先進的燃氣輪機具有效率高、噪音低及排放低等特點，是提供清潔、可靠、高質量發電和熱電聯供的最佳方式[5]。燃氣輪機傳遞給透平葉片的熱量隨著透平進口溫度的升高而增加。根據工業用燃氣輪機和航空用燃氣輪機的實際使用性能，燃氣輪機入口溫度為1 000～1 200℃，熱效率30%～34%，可長期運轉。石油煉制、石油化學工業等工藝過程組合使用的燃氣輪機，入口溫度1 000～1 100℃，熱效率31%左右[6]。由于燃氣輪機運行溫度遠高于金屬許用溫度，所以為保證安全運行需要對葉片進行冷卻，限制葉片材料內的溫度水平和溫度變化，保證合理的使用壽命。

對于燃氣輪機的氣膜冷卻而言，端壁氣膜冷卻流場結構尤為復雜。這是因為端壁入口氣流中存在的壓力和溫度梯度將導致靜葉片通道中產生二次流；每個葉片前緣附近的邊界層翻卷為分開的馬蹄渦并涌入通道；強大的橫向壓力梯度產生具有橫向分速的端壁三維邊界層。為此，國內外研究人員對端壁的氣膜冷卻做了大量研究。Okita Y和Nakamata C對非軸對稱端壁的氣膜冷卻效率進行了研究，結果表明非軸對稱端壁能夠減少通道中二次流的影響，強化氣膜冷卻作用，提高氣膜冷卻效率[7]；Barigozzi G等分析了扇形氣膜孔對端壁氣膜冷卻傳熱特性的影響，結果表明，與圓柱氣膜孔相比，扇形氣膜孔削弱二次流的能力較大，冷卻氣體能有效覆蓋端壁表面[8]；Friedrichs S等采用氨和重氮技術對渦輪葉片端壁處二次流的分布進行了實驗研究，利用類比存在的熱量和質量傳遞方法分析了端壁冷卻射流的相互作用和二次流對氣膜冷卻效果的影響，根據實驗結果可以直觀地觀察到通道渦對氣膜冷卻的影響和冷卻射流與二次流之間的相互作用[9]；王釗等利用數值模擬的方法對端壁氣膜冷卻進行了研究，并與無氣膜冷卻的端壁進行了對比，結果表明，在有氣膜冷卻的情況下，端壁氣膜孔周圍的換熱系數明顯減小[10]；彭紹輝等對上凸下凹非軸對稱端壁和軸對稱端壁進行了數值模擬對比，結果表明，使用上凸下凹非軸對稱端壁時，通道中二次流的作用減弱，馬蹄渦的作用有所減少，氣膜冷卻效率明顯提高[11]。

雖然國內外學者對燃氣輪機端壁氣膜冷卻做了大量研究，但有關復合角度(不同方向的入射角α、β)射流對端壁冷卻傳熱特性的研究卻很少。為此，筆者通過改變吹風比M和端壁氣膜孔的排列方式，研究了不同復合角度對端壁氣膜冷卻傳熱特性的影響。

1 幾何模型與數值模擬

1.1幾何模型和網格劃分

筆者采用Solidworks軟件借助高壓渦輪導向葉片MarkⅡ[12]的葉片數據進行建模，詳細的葉柵幾何參數如下：

安裝角 63.45°

葉片高度 76.3mm

葉柵間距 127.81mm

葉柵吼道 39.62mm

吸力面弧長 158.45mm

壓力面弧長 129.65mm

葉片弦長 136.36mm

葉片軸向弦長 68.21mm

為了在計算時使主流穩定，在模型的進口和出口區域各延長了約一個葉片弦長的距離。同時，參照文獻[13]中實驗選用的氣膜冷卻孔布置方式，在葉珊端壁上開設4排冷卻孔，孔型為圓柱形，孔徑1.5mm。葉柵通道的物理模型和氣膜孔的具體位置如圖1所示。對模型采用分區(射流區域和葉柵通道區域)劃分的方式。射流區域采用六面體網格，葉柵通道采用混合網格，對端壁面和氣膜孔附近進行局部加密，網格總數八十多萬，具體劃分情況如圖2所示。

圖1 葉柵通道的物理模型與氣膜孔位置分布

圖2 葉柵通道與氣膜孔的網格劃分

1.2數值方法與邊界條件

筆者采用Standardk-ε兩方程紊流模型，對控制方程采用有限體積法進行離散，離散格式采用二階迎風格式，利用SIMPLE算法進行求解。

定義計算域兩個側面為周期性邊界條件，通道區域射流入口和主流入口均采用速度邊界條件，通道區域出口采用壓力邊界條件，主流入口溫度800K，射流溫度400K，主流和射流均采用空氣作為流體介質。定義吹風比M為：

式中Uj、U∞——射流、主流的流體平均速度；

ρj、ρ∞——射流、主流的流體密度。

2 模擬結果分析

2.1不同復合角度與單一角度的傳熱特性分析

圖3為M=2時不同復合角度下端壁努塞爾數Nu的分布圖。

圖3 M=2時不同復合角度下端壁Nu分布

由圖3可以看出，在端壁處采用復合角度的Nu比采用單一角度時的高，且在通道尾緣區域冷卻范圍更廣，這是因為端壁采用復合角度后，有效地減弱了二次流的影響，并且降低了通道渦的形成，使主流氣體卷吸冷卻介質的能力減小，致使冷卻效率提高，Nu增大。從圖3a、c可以看出，采用單一入射角α=35°的端壁比α=30°時的傳熱效果更好，這是因為入射角越大，射流抑制二次流形成的能力越大，馬蹄渦卷吸射流的能力被減弱。由于冷卻介質較少，通道前緣部分的第一排孔處基本沒有被冷卻。壓力面上游區域基本沒有冷卻氣體覆蓋，這是由于在這個區域有二次流的強烈擾動，射流的動量較小，不能克服二次流的橫向阻力以至于脫離壁面。在通道前緣和壓力面上游區域增加氣膜孔能有效提高Nu。

2.2不同吹風比下的傳熱特性分析

圖4為葉柵端壁復合角度α=35°、β=45°時的不同吹風比下的Nu分布。

由圖4可以看出，隨著吹風比的增加，Nu逐漸增大。但是在第一排孔附近的Nu變化并不是很大，從第二排孔開始，隨著吹風比的增加，Nu變化得越來越明顯，在第四排孔處，Nu達到最大值。這是因為在第一排孔處冷卻介質比較少，冷卻效果并不明顯，隨著孔排數的增加，冷卻氣體越來越多，在第四排孔處達到最大值，所以冷卻效果最好，Nu達到最大值。由圖4c、d可以看出，當吹風比較小時，Nu變化并不是很大，當吹風比增加到3時，Nu急劇增加，表明吹風比越大，冷卻介質越多，冷卻效果越明顯。

圖4 α=35°、β=45°時的不同吹風比下的Nu分布

2.3端壁復合角度順排孔與插排孔的傳熱特性分析

圖5為M=2時不同復合角度下采用不同排列方式的端壁氣膜冷卻孔的Nu分布。

圖5 M=2時不同復合角度下采用不同排列方式的端壁氣膜冷卻孔的Nu分布

由圖5a、b可以看出，葉柵端壁復合角度為α=30°、β=45°時插排孔比順排孔傳熱效果更好。尤其在插排的第四排孔處，傳熱強度和范圍都有很大提高。這是由于在壓力面前緣，壓力面側的馬蹄渦在演變為通道渦并向吸力面后緣靠近的過程中，第二排插排孔有效減弱了通道渦的形成，并對二次流的形成也有抑制作用。冷卻氣體能有效地對端壁進行冷卻，在第四排插排孔處，Nu達到最大值。當端壁復合角度采用α=35°、β=45°或α=45°、β=45°時，無論是采用順排孔還是插排孔，Nu變化并不明顯。由此說明并不是所有端壁在采用插排孔時的傳熱效果都比順排孔好，而是在一定的入射角前提下，端壁采用插排孔能有效抑制通道渦的形成，提高傳熱能力。

3 結論

3.1由不同復合角度的傳熱特性分析可知，端壁氣膜孔復合角度的引入能減弱二次流對冷卻介質的卷吸作用，使傳熱能力增強，復合角度α=35°、β=45°時傳熱效果最好。

3.2由不同吹風比的傳熱特性分析可知，隨著吹風比的增加，端壁氣膜冷卻Nu有所提高，當吹風比越來越大時，傳熱能力增加的更加明顯，吹風比對端壁氣膜冷卻傳熱特性的影響最大。

3.3由不同復合角度下不同排列方式的傳熱特性分析可知，當復合角度為α=30°、β=45°時，氣膜孔采用插排排列能降低端壁表面二次流對冷卻介質的影響，削弱馬蹄渦流過通道時對冷卻射流的卷吸作用。

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NumericalInvestigationofEndwallFilmCoolinginGasTurbineStator

ZHANG Ling ,XIE Heng-long

(CollegeofEnergyandPowerEngineering,NortheastDaliUniversity,Jilin132012,China)

Endwall modeling for the cascade passage and mesh generation as well as setting boundary conditions were implemented. Through changing jet angle and jet blowing ratio and arranging gas film holes, the heat transfer character of gas film holes at endwall compound angle was analyzed. Simulation results indicate that when the compound angle is adopted, the endwall Nusselt number becomes larger than that at a single angle;and when the compound angleαis 35° andβis 45°, the Nusselt number comes to the biggest and with the increase of blowing ratio, the Nusselt number gradually increases; and when compound angleαis 35° andβis 45°, the film holes boasting of strip layout have best heat transfer effect.

gas turbine, endwall film cooling, heat transfer character, Nusselt number, blowing ratio, compound angle

*吉林省科技發展計劃項目(20130101046JC)。

**張 玲，女，1970年1月生，教授。吉林省吉林市，132012。

TQ052.73

A

0254-6094(2016)03-0341-06

2015-07-07，

2016-05-14)

(Continued from Page 283)

AbstractRegarding the filtering of materials boasting high viscosity and compressibility and low solid-phase concentration, the enhanced filtering technologies with the filter aid as required were adopted for their solid-liquid filtration. Only filter aid properly-selected in types and amount has effects of benefiting the filtration like reducing filter cake resistance, accelerating the filtration speed and clarifying the filtering liquid.

Keywordsfilter aid, material with high viscosity, compressible material, filtration performance