涡轮静叶尾缘开槽冷却特性的数值的研究.pdfVIP

中国工程热物理学会 热机气动热力学 学术会议论文 编号：092116 涡轮静叶尾缘开槽冷却特性的数值研究 1,2 1 1 1 1 王文三 唐 菲 秦立森 赵庆军 徐建中 （1.中国科学院工程热物理研究所，北京 100190；2.中国科学院研究生院，北京 100190） （Tel: 010 Email: wangwensan@mail.etp.ac.cn） 摘要：本文用三维数值模拟的方法，对某具有尾缘开槽冷却的涡轮静叶栅进行了详细的气热耦合计算 与分析，研究了具有尾缘开槽冷却形式的涡轮静叶片的冷却和传热特性，并结合叶片表面温度分布和 静压分布对比分析了叶片在不同吹风比下该冷却方式对流场气动性能的影响。气热耦合计算结果表明： 此种尾缘开槽的冷却形式可以对叶片尾缘高温区起到有效的冷却效果，同时使主流通道的气动喉口向 上游迁移，在冷却槽口区域引起了主流的压力波动。 关键词：气膜冷却，气热耦合，数值模拟，尾缘开槽 0 引言 由热力学分析可知，燃气轮机的热效率和输出功率均随着涡轮进口温度的升高而增 加。在现代涡轮中燃烧室出口温度已经达到2000K 左右。涡轮叶片工作于高温气体之中， 承受着较大的热应力。热应力是影响叶片寿命的一个重要因素，并且随着涡轮进口温度 的提高，叶片所承受的热应力也逐渐增大。因此，为了适应不断提高的涡轮进口温度， 现代涡轮多采用涡轮冷却技术，涡轮冷却技术分为内部冷却和外部冷却，其中外部冷却 又称气膜冷却是涡轮冷却技术中一种重要的方法。气膜冷却中冷却介质通过气膜孔或冷 却槽内的对流换热和叶片表面的直接覆盖保护叶片，以降低叶片的热负荷。但是，在叶 片尾缘部分由于叶片一般较薄，不易布置内部冷却腔室，同时，叶片表面的气流边界层 在尾缘部位一般已经发展为较厚的边界层，因此叶片尾缘部分是叶片的高温区，极易导 致尾缘的烧蚀，造成叶片的毁坏，所以在叶片尾缘区布置合理的冷却是必要的。 国外在尾缘冷却方面已经开展了许多相关的研究工作，Shuping P. Chen[1]用实验方 法研究了一种理想尾缘开槽冷却方式的传热特性, Jung-ho Choi[2]对比分析了两种不同 尾缘开槽方式对气膜有效度的影响, Martin P.[3][4]等人用实验和分离涡数值模拟的方法 研究了某尾缘冷却方式的传热特性以及尾缘冷却气体与主流的相互作用。国内在近十年 来才逐渐开始关注尾缘的冷却和传热方面的研究[5][6] 。 本文正是针对涡轮叶片尾缘的高温区设计了一种尾缘开槽的冷却方式，并用数值模 拟的方法对具有这种尾缘开槽冷却形式的涡轮静叶栅进行了详细的气热耦合计算与分 析，研究了具有此种尾缘开槽冷却形式的涡轮静叶片的冷却和传热特性，并结合叶片表 面温度分布和静压分布对比分析了叶片在不同吹风比下该冷却方式对流场气动性能的 影响。 1 计算模型和计算方法 1.1 数值计算模型和网格 计算所采用的叶型及尾缘开槽的实体示意图如图1 所示。叶片内部的冷却腔室为简 基金项目：中国科学院院长奖获得者科研启动专项资金，吴仲华奖励基金 化的单一连通体，冷却气体由机匣流向轮毂。由于叶片尾缘较薄，内部冷却不能对叶片 尾缘起到有效的冷却效果，因此在叶片尾缘靠近压力面侧开了一径向冷气槽，槽宽为 0.48mm,由轮毂到机匣贯穿整个叶高。 本文计算采用CFX 商业程序，CFX 计算程序采用有限体积法及全隐式多网格耦合 求解技术求解三维定常粘性N-S 方程。根据相关研究，在气冷涡轮中的流动和传热特性 计算方面选用 SST 湍流模型加Gamma-Theta 转捩模型的数值模拟结果与实验结果符合 较好[7] 。因此，本文计算使用SST Gamma-Theta 模型，该湍流模型要求壁面第一层网格 节点y+值在1 以下。 计算域网格为多块结构化网格，为确保计算精度静叶与下游动叶进行整级计算。网 格分为四部分——静叶主流区域，静叶片内部区域，静叶冷却腔室区域，动叶主流区域， 其中静叶主流区域的网格如图2 所示，整体由H-O 型网格组成。在叶片表面附近