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中国工程热物理学会 热机气动热力学 学术会议论文 编号072008 1+1/2对转涡轮高压动叶气膜冷却 数值研究 . 张惠1一,王会社1,徐建中1,赵晓路1 (1.中国科学院工程热物理研究所,北京100080:2.中国科学院研究生院,北京100080) Tel:010 Email:zhang—cas@163.com 摘要:对1+l/2对转涡轮高压动叶设计了冷却方案,在高压动叶前缘滞止线,压力面和 吸力面分别开设了冷却孔,并对冷却方案进行了三维数值模拟。研究了不同转速对高压 动叶前缘冷却效果的影响,以及吹风比对高压动叶前缘气膜冷却效果的影响;给出了前 缘,压力面,吸力面冷气射流的流动特征:分析了冷气喷射对高压动叶型面马赫数,型 面压力和温度场的影响。研究了高吹风比下,吸力面和压力面冷气喷射对高压动叶流道 内复杂激波结构的影响。 关键词: 气膜冷却激波 l+l/2对转涡轮高压动叶吹风比数值模拟 1前言 提高透平进口温度是改善燃气轮机性能和提高其经济性的重要途径。然而进口温度 的不断提高,必将增大涡轮部件的热负荷,影响其寿命。因此必须对其采取有效的冷却 措施。气膜冷却作为一种重要的冷却手段,在燃气透平冷却中得到了越来越多的应用。 国内外学者进行了很多深入的研究Il圳。 1+1/2对转涡轮即无低压导叶对转涡轮,国内外学者进行了深入的研究崎呻1,研究表 明对转涡轮有着常规涡轮无法比拟的优势,其必将在未来航空发动机领域取得迅猛发 展。本文对1+1/2对转涡轮高压动叶气膜冷却设计了冷却方案:在高压动叶前缘滞止线, 吸力面侧,吸力面,压力面开设了冷却孔排,并对冷却方案进行了三维数值模拟。计算 的几何模型包括涡轮级,冷气腔和冷却孔。本文主要研究了不同转速对高压动叶前缘冷 却效果的影响,以及吹风比对前缘气膜冷却效果的影响。给出了高压动叶前缘,压力面, 吸力面冷气射流的流动特征。分析了冷气喷射对型面马赫数,型面压力和温度场的影响。 研究了高吹风比下,高压动叶压力面和吸力面冷气喷射对高压动叶流道内复杂的波系结 构的影响。 2几何模型 由于计算机内存使用的限制,对高压动叶吸力面和压力面气膜冷却孔,需要分别作 网格。每套网格包括三排涡轮叶片,两个冷气腔,前缘滞止线处冷却孔,前缘吸力面侧 冷却孔,压力面或者吸力面冷却孔。本文只给出了包含吸力面冷却孔的网格。冷气进口 设在冷气腔底部,冷却孔排布置及结构如图2。前缘滞止线,压力面侧和吸力面侧分别 布置一排冷却孔。冷气孔直径为1mm,孔与孔之间的距离为5倍的直径。滞止线上冷却 孔与叶片表面垂直,两侧冷却孔与叶片表面呈30度夹角。吸力面,压力面冷却孔位置 轴向弦长70%处。 259 图1全部计算域 图2冷气腔和冷却孔 3计算方法和计算网格 采用NI『MECA的FINE佃RBO软件, 该软件采用时间相关法求解雷诺平均N.S 方程。本文选用二阶精度的中心离散格式, 湍流模型采用S-A一方程湍流模型。应用 多重网格技术,加快计算收敛速度。计算 残差收敛到_4或者.5量阶。三排叶片网格 由NUMECA/AuTOGRID自动生成,冷气 腔和冷气孔网格在IGG中手动生成,其中 冷气腔和冷却孔均采用蝶形网格,冷却孔 周围区域进行适当的加密。冷却孔进口与 冷气腔表面、冷却孔出口与叶片表面网格 图3气膜孔附近网格 的连接均采用FuLL—NoN 边界条件分别对主流和冷气进口给定总温,总压和气流方向,出口给定静压。主流 温度为500K,总压为3个大气压,轴向进气。冷气温度为300K,冷气腔进口给定速度。 叶片型面、冷气矗、冷却孔紫壁面均为芜滑移的绝热边界。吹风比为:M=风∑么v二 其中以是冷却密度,v,表示冷气速度,卢0是主流密度,v。表示
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