用于燃气轮机的平板气膜冷却孔型影响因素的研究

摘要

燃气轮机应用于航空发动机、船舶、发电、冶金、化工、能源与动力工程等领域,燃气轮机热效率随着进气温度的增加而提高,但叶片材料的耐高温性能有限。因此必须对叶片进行冷却保护。涡轮叶片冷却一种比较重要的方法是气膜冷却技术。平板表面气膜冷却各个参数的研究相对简单,并且平板模型的研究结果经过稍许修正便可用于实际发动机的设计。气膜冷却的效果取决于气膜孔附近区域的流动特性,由气膜冷却效率来衡量。
　　 本文的数值计算基于Fluent软件平台,采用RNGκ-ε湍流模型,控制方程的离散采用有限体积法,压力-速度耦合应用SIMPLEC算法,分离隐式求解稳态Navier-Stokes方程,研究了圆柱孔、扩散孔和横向扩散孔在不同吹风比、不同孔排布置方式时壁面冷却效率、流场涡结构以及孔内流动结构,同时还研究了新型反涡孔的壁面冷却效果和流场结构变化。
　　 研究结果主要包括:(1)双排孔顺排布置时,在所选取的4种吹风比下,相对于圆柱孔和扩散孔,横向扩散孔和新型反涡孔的冷却气膜覆盖区域较大,底面孔中心线的冷却效果均较好,且新型反涡孔的孔间冷却效果始终最好;吹风比为0.5时,4种孔型孔中心线的冷却效率相差不大;(2)圆柱孔射流随着吹风比增大,冷却效率减小,其它3种孔型则与之有相反的趋势;(3)相同吹风比时,圆柱孔反向涡旋对的尺度最大;扩散孔和横向扩散孔不同程度地抑制了涡强度,且随着向下游延伸,涡中心逐渐远离壁面,涡强度也不断减弱,新型反涡孔两侧孔的存在也在一定程度上抑制了反向涡旋对;(4)孔的结构对孔内流动结构有影响。圆柱孔为等截面孔,孔内不易产生流动分离,低速区域较大;扩散孔和横向扩散孔的横截面逐渐扩张,流动减速,孔内出现明显的低速区和高速区;(5)双排孔顺排布置对孔下游的冷却效果影响并不大,叉排布置明显提高了孔间冷却效率。