橫流通道對氣膜冷卻性能影響的數值研究

張陸新，南春雷，尤國林，韓震宇

（東方汽輪機有限公司，四川 德陽 618000）

由于燃氣輪機的效率隨透平進口溫度的提高而提高，因此，當代先進燃機透平進口溫度逐年提高，并且已經遠遠超過了葉片金屬材料的耐熱溫度[1]，所以，對葉片采取高效的冷卻技術尤為重要。本文采用數值方法研究了不同吹風比和不同橫流雷諾數下，光滑橫流通道和直肋橫流通道對氣膜冷卻性能的影響，為高溫葉片復合冷卻設計提供依據。

1 計算模型

本文參照文獻[2]中的實驗，建立了如圖1（a）所示的計算模型。該模型包括內部橫流通道、氣膜孔和主流通道。同時，建立了2種橫流通道，即光滑通道，如圖1（b）所示，直肋通道，如圖1（c）所示。

圖1 計算模型

2 邊界條件

本文采用理想空氣作為工質，參考相關實驗[2-3]，計算模型壁面均按照絕熱處理，主流通道入口給定質量流量0.064 kg/s，總溫為26.85℃，出口靜壓1 atm；橫流通道進口總溫46.85℃。通過改變橫流通道入口質量流量來調整橫流雷諾數，通過改變橫流通道出入口的質量流量差來調整吹風比。

3 湍流模型驗證

本文采用商用軟件ANSYS CFX14.5求解RANS方程進行計算。為了驗證結果的準確性，選取吹風比為0.5，橫流雷諾數為80 000的工況，使用k-ε、k-ω和SST這3種湍流模型分別計算，并選取平板壁面橫向平均氣膜有效度判斷湍流模型的可靠性。圖2給出了3種計算結果與文獻[2]中的實驗數據對比，發現k-ε湍流模型計算結果與實驗值最符合，且最大誤差小于15%，因此本文選取k-ε湍流模型進行計算。

圖2 湍流模型驗證

圖3 計算網格

4 計算網格

本文采用ANSYS ICEM 14.5軟件生成結構化網格，計算網格如圖3所示。對壁面網格進行加密，保證y（＋）滿足湍流模型的要求。經過網格無關性驗證，最終確定網格規模為350萬。

5 橫流對氣膜冷卻性能的影響

圖4給出了吹風比M＝0.5時氣膜有效度分布云圖，由其可見相對于氣室進氣結構，光滑通道的平板氣膜分布向＋Y側偏斜，并且橫流雷諾數越大，氣膜分布的偏斜程度更大。但是，直肋通道的平板氣膜分布具有較好的對稱性，并且氣膜的覆蓋面積相較氣室結構有所擴大。由橫向平均氣膜有效度曲線可知，相對于氣室進氣結構，光滑通道的氣膜有效度比較低，且橫流雷諾數越大，氣膜冷卻性能越差。而直肋通道提高了氣膜有效度，同時，橫流雷諾數越大，氣膜冷卻性能越好。

接著增大吹風比至M＝1.0，根據圖5給出的平板氣膜有效度分布云圖和橫向平均氣膜有效度曲線，可知氣室結構的氣膜冷卻性能降低。同時，光滑通道的平板氣膜覆蓋面積顯著增大，氣膜有效度提高，橫流雷諾數越大，冷卻性能越好。對于直肋通道，雖然冷卻性能相較光滑通道降低，但仍高于氣室進氣結構，且橫流雷諾數越大，氣膜冷卻性能越差。

圖4 M＝0.5時氣膜有效度分布云圖和橫向平均氣膜有效度曲線

圖5 M＝1.0時氣膜有效度分布云圖和橫向平均氣膜有效度曲線

繼續增大吹風比至M=1.5，根據圖6給出的平板氣膜有效度分布云圖和橫向平均氣膜有效度曲線，可知氣室結構的氣膜冷卻性能進一步惡化。同時，光滑通道的氣膜冷卻性能略有下降，在靠近氣膜孔處，氣膜冷卻性能隨橫流雷諾數的增大而減小，而在遠離氣膜孔處，氣膜冷卻性能隨橫流雷諾數的增大而增大。直肋通道的氣膜冷卻性能繼續下降，但相對于氣室結構仍改善了氣膜冷卻性能，橫流雷諾數越大，氣膜冷卻性能越差。

圖6 M＝1.5時氣膜有效度分布云圖和橫向平均氣膜有效度曲線

6 橫流對氣膜冷卻流動結構的影響

為了探究橫流對氣膜冷卻流動結構的影響，分別作出x/d＝1和x/d＝20不同截面上近壁面處的流線圖和溫度云圖進行分析。本文選取橫流雷諾數為10 000和80 000的2種工況。由圖7給出的x/d＝1截面的流線圖和溫度云圖可知，直肋通道和氣室結構在氣膜孔出口處流動均為冷卻射流從氣膜孔射出，并形成一組對氣流具有上洗作用的反旋渦對，且隨著吹風比的增加，冷卻氣流動量增大，氣膜孔出口處射流高度比較高，壁面附近冷氣量變少，因此，氣膜冷卻性能變差。然而在光滑橫流通道結構中，冷卻射流會分成兩股從氣膜孔出口兩側分別射出，并各自形成一組反旋渦對。

由圖8給出的x/d＝20截面的流線圖和溫度云圖可知，在射流與主流摻混的影響下，射流無量綱溫度降低，并在反旋渦對的上洗作用下，射流相對于x/d＝1截面高度有增加，因此，壁面氣膜有效度降低。對于光滑橫流通道，3號渦強度大，隨著射流發展，-Y側渦對被卷吸到壁面附近，4號渦逆時針上移。對于直肋橫流通道，反旋渦對中-Y側渦更強并靠近中心線，削弱氣流上洗作用，氣膜冷卻性能提高。

圖7 x/d＝1截面流線圖和溫度云圖

圖8 x/d＝20截面流線圖和溫度云圖

7 結論

本文建立了光滑橫流通道和直肋橫流通道的氣膜冷卻計算模型，通過數值模擬方法，研究了不同吹風比和橫流雷諾數工況條件下，不同橫流通道中橫流對氣膜冷卻性能的影響。研究結果表明：①相對于氣室結構，光滑通道中的橫流在低吹風比下會削弱氣膜冷卻性能，且橫流雷諾數越大氣膜冷卻性能越差，但在高吹風比下會顯著提高氣膜冷卻性能，且橫流雷諾數越大，氣膜冷卻性能越好。②相對于氣室結構，直肋通道中的橫流在各吹風比下均會提高氣膜冷卻性能，但在低吹風比下，橫流雷諾數越大，氣膜冷卻性能越好，在高吹風比下則相反。③與光滑通道相比，直肋通道中的橫流在低吹風比下會提高氣膜的冷卻性能，在高吹風比下則相反。

［1］Han J-C，Dutta S，Ekkad S.Gas turbine heat transfer and cooling technology［M］.Boca Raton：CRC Press，2012.

［2］駱劍霞.渦輪葉片內冷結構對外部氣膜冷卻特性的影響研究［D］.西安：西北工業大學，2014.

［3］Xie G，Liu X，Yan H.Film cooling performance and flow haracteristics of internal cooling channels with continuous/truncated ribs［J］.International Journal of Heat&Mass Transfer，2017（105）：67-75.