田佳 李廣超

摘 要：為探討橢圓形葉片前緣氣膜冷卻特性，采用數(shù)值仿真研究了半橢圓柱形前緣單排圓柱孔在吹風(fēng)比為1.0和2.0時(shí)氣膜冷卻效率。結(jié)果表明：氣膜冷卻效率隨吹風(fēng)比增大而降低，沿著流向先降低再升高。低吹風(fēng)比時(shí)，氣膜孔排距離滯止線越遠(yuǎn)，冷氣在展向擴(kuò)散性越好，氣膜冷卻效率越高。高吹風(fēng)比時(shí)，孔排距離滯止線越遠(yuǎn)，冷氣展向擴(kuò)散性沿流向由差變好。

關(guān)鍵詞：橢圓形前緣；吹風(fēng)比；孔排布局；冷卻效率

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

1 引言

燃?xì)廨啓C(jī)是熱力發(fā)電的重要設(shè)備，燃?xì)廨啓C(jī)熱效率和輸出功率隨著渦輪進(jìn)口燃?xì)鉁囟鹊纳叨嵘F(xiàn)代燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)口溫度已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)葉片材料耐熱極限，必須采用更加高效和可靠的冷卻方式。葉片前緣區(qū)域直接面對(duì)高溫燃?xì)鈦?lái)流沖擊，是熱負(fù)荷最嚴(yán)重區(qū)域，由于葉片前緣區(qū)域多排氣膜孔出流相互干擾，傳熱和流動(dòng)狀況非常復(fù)雜，如何有效設(shè)計(jì)前緣區(qū)域氣膜冷卻結(jié)構(gòu)來(lái)提高冷卻效率，成為研究者們關(guān)注的重點(diǎn)和難點(diǎn)[1]。

國(guó)內(nèi)外研究者采用實(shí)驗(yàn)和數(shù)值仿真方法對(duì)葉片前緣氣膜冷卻進(jìn)行了大量研究。Mick等[2]分析了吹風(fēng)比對(duì)氣膜冷卻效率的影響。Mehendale等[3]對(duì)葉片前緣有兩排氣膜孔的冷卻效率進(jìn)行了測(cè)量，發(fā)現(xiàn)前排孔的氣膜可以增加后面的邊界層厚度，從而促進(jìn)后排孔冷氣與主流的摻混。Yuen等[4]對(duì)比研究了順排和錯(cuò)排布置的多排孔氣膜冷卻效率。國(guó)內(nèi)李廣超等[5]采用半圓柱模型對(duì)葉片前緣多排圓柱形孔的氣膜冷卻換熱和冷卻效率進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和數(shù)值仿真。李少華等人[6]對(duì)渦輪葉片前緣多孔氣膜冷卻進(jìn)行數(shù)值仿真，探討流線分布與冷區(qū)死區(qū)變化范圍的關(guān)系。戴萍等人[7]對(duì)葉片前緣雙排孔進(jìn)行了氣膜冷卻數(shù)值仿真、，指出孔排與前緣滯止線的距離對(duì)于冷氣貼壁效果有較大影響。雷云濤[8]等對(duì)圓柱形前緣雙排交錯(cuò)孔氣膜冷卻進(jìn)行了數(shù)值仿真，得到了吹風(fēng)比增大冷氣偏移明顯的結(jié)論。

上述有關(guān)文獻(xiàn)都是對(duì)圓柱形葉片前緣氣膜冷卻進(jìn)行研究，而對(duì)橢圓形葉片前緣的研究非常少。本文建立了橢圓形葉片前緣多排孔幾何模型，分析了橢圓形葉片前緣孔排布局對(duì)于氣膜冷卻效率的影響。

2 燃?xì)廨啓C(jī)渦輪葉片前緣氣膜冷卻系統(tǒng)原理模型

2.1 葉片前緣氣膜冷卻系統(tǒng)原理模型

圖1是燃?xì)廨啓C(jī)渦輪葉片前緣氣膜冷卻系統(tǒng)原理圖，熱氣從主流通道入口流入，冷氣從二次流通道入口流入并通過(guò)葉片前緣布置的三排氣膜孔噴出到主流當(dāng)中，熱氣和冷氣摻混后通過(guò)前緣下游布置的兩個(gè)出口流出。其中主流溫度為330 K，給定均勻速度16.1 m/s，二次流入口根據(jù)吹風(fēng)比給定速度，溫度為310 K 。

2.2 葉片前緣氣膜冷卻可靠性分析

應(yīng)用商業(yè)軟件FLUENT的分離隱式求解器對(duì)三維氣膜冷卻射流流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值仿真。葉片前緣氣膜孔附近網(wǎng)格疏密影響數(shù)值計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確性，葉片前緣第一排氣膜孔下游氣膜冷卻效率如圖2所示。比較網(wǎng)格總數(shù)在，，時(shí)的氣膜冷卻效率，可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)網(wǎng)格總數(shù)大于時(shí)，氣膜冷卻效率幾乎不變，故計(jì)算模型網(wǎng)格數(shù)選取為。

3 孔排布局對(duì)氣膜冷卻效率的影響

吹風(fēng)比的大小代表了冷氣穿透主流邊界層進(jìn)入主流核心區(qū)的能力。圖3為單排孔在br=1.0和br=2.0時(shí)的氣膜冷卻效率云圖。從圖中可以看出在同一吹風(fēng)比下，第1排孔展向擴(kuò)散特性最好。沿流動(dòng)方向，第1排孔在下游實(shí)現(xiàn)了氣膜全覆蓋，第2和第3排孔下游一直存在冷卻死區(qū)。隨著吹風(fēng)比的增大，冷氣在展向偏移更加明顯。

圖4給出了在吹風(fēng)比為1.0和2.0時(shí)，所對(duì)應(yīng)的孔下游氣膜冷卻效率隨x/d的變化情況。圖4（a）是在br=1.0時(shí)，x/d<7，第3排孔冷卻效率最高，因?yàn)榈?排孔孔徑最大且孔間距最小，同樣的吹風(fēng)比下，能更好的實(shí)現(xiàn)氣膜覆蓋。x/d>10時(shí)，第1排孔冷卻效率最高，第3排孔冷卻效率最低，這是因?yàn)榈?排孔離滯止線最遠(yuǎn)，第3排孔離滯止線最近。當(dāng)氣膜孔位置后移時(shí)，所對(duì)應(yīng)的主流區(qū)的速度也變大，相對(duì)減弱了吹風(fēng)比的影響。圖4（b）是br=2.0時(shí)，第1，2，3排孔展向平均氣膜冷卻效率隨x/d的變化。x/d<12時(shí)，第3排孔的冷卻效率最高，這說(shuō)明吹風(fēng)比增大，會(huì)加強(qiáng)孔徑和孔間距對(duì)氣膜冷卻效率的影響。5

4 結(jié)論

（1）在氣膜孔下游同一位置，隨著吹風(fēng)比增加，氣膜冷卻效率降低。 （2）氣膜冷卻效率沿流向先下降然后上升，在氣膜孔下游較遠(yuǎn)距離再次下降。

（3）低吹風(fēng)比時(shí)，氣膜孔排距離滯止線越遠(yuǎn)，冷氣在展向擴(kuò)散性越好，氣膜冷卻效率越高。高吹風(fēng)比時(shí)，孔排距離滯止線越遠(yuǎn)，冷氣的展向擴(kuò)散性沿流向由差變好。

參考文獻(xiàn)：

[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.

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[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]李廣超，朱惠人，白江濤等.氣膜孔布局對(duì)前緣氣膜冷卻效率影響的實(shí)驗(yàn)[J].推進(jìn)技術(shù)，2008，29（02）：153-157.

[6]李少華，張玲，朱勵(lì)等.渦輪葉片前緣氣膜冷卻的流線分析[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2010，30（14）：96-101.

[7]戴萍，林楓.透平葉片前緣氣膜冷卻數(shù)值模擬[J].航空動(dòng)力學(xué)報(bào)，2009，24（03）：519-525.

[8]雷云濤，林智榮，袁新.透平葉片前緣雙排交錯(cuò)孔氣膜冷卻數(shù)值模擬[J].清華大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2010，30（20）：1843-1847.

作者簡(jiǎn)介：田佳（1991-），男，山西朔州人，碩士研究生，主要研究方向：燃?xì)廨啓C(jī)氣動(dòng)熱力學(xué)。