湍流度和吹風比對葉片前緣雙出口孔射流冷卻效率影響

李廣超， 張 魏， 高洪利， 吳 冬

（沈陽航空航天大學 動力與能源工程學院 遼寧省數(shù)字化工藝仿真與試驗技術(shù)重點實驗室，遼寧 沈陽110136）

0 引 言

高性能燃氣輪機渦輪入口溫度已經(jīng)遠遠高于渦輪材料熔點，為了保證渦輪部件的正常工作，必須對渦輪葉片采取有效冷卻措施。一級導向葉片前緣直接受到高溫燃氣沖擊，工作環(huán)境更為惡劣，冷卻問題尤其突出［1］。對前緣通常采用內(nèi)部沖擊冷卻和外部氣膜冷卻相結(jié)合的冷卻方式［2－3］。在相同冷氣量下，改進氣膜孔結(jié)構(gòu)是提高冷卻效率的有效措施。從燃燒室流入渦輪部件的高溫燃氣湍流度在30%左右。隨著高溫燃氣在渦輪葉柵中的流動，湍流度逐漸降低，到第二級導向葉片會降到10%以下。所以，有必要研究湍流度對渦輪葉片前緣氣膜冷卻效率的影響［4］。前緣區(qū)流動特點是速度低，邊界層薄，吹風比高，從氣膜孔噴出的冷氣形成類似噴淋流態(tài)，在壁面附著特性差，改進氣膜冷卻潛力更大。國內(nèi)外針對葉片前緣的冷卻效率和換熱特性都做了大量工作［5－10］，文獻中的孔結(jié)構(gòu)都是標準圓柱形孔。為了改善氣膜徑向均勻性和提高冷卻效率，本文提出了雙出口孔結(jié)構(gòu)，研究了湍流度和吹風比對氣膜冷卻效率影響。

1 數(shù)值計算

1.1 計算方法

采用分離隱式穩(wěn)態(tài)求解器求解三維N－S雷諾時均湍流方程，湍流模型采用realizablek－ε湍流模型和增強壁面函數(shù)，速度與壓力的耦合采用SIMPLE算法處理，各參數(shù)離散均采用二階精度迎風格式，亞松弛求解直至收斂。解收斂的判斷標準是相對殘差小于1×10－5，并且保證不再有明顯的減小趨勢。

1.2 幾何模型

本文采用的氣膜孔結(jié)構(gòu)如圖1所示。氣膜孔由一個主孔和一個次孔組成，在距離主孔入口1.5倍主孔直徑位置，次孔中軸線和主孔中軸線相交。圖2給出了氣膜孔角度定義。主孔相當于標準圓柱孔，與主流方向成90°，與壁面夾角α為25°，次孔軸線和主孔軸線交點到主孔入口距離為2倍主孔直徑，次孔與壁面夾角β為60°，次孔在主孔方向偏角γ為45°，次孔直徑是主孔直徑0.9倍。該孔型不同于雙排孔射流，冷氣在孔內(nèi)分支流動會顯著改變孔內(nèi)流場，進而影響到冷氣在出口流動特性。

由于計算模型具有周期性邊界，選取中間一個氣膜孔示例。具體坐標定義如下：選取主流方向為x方向，沿通道高度方向為y方向，沿通道寬度方向為z方向。采用半徑R＝50mm的半圓柱表面模擬葉片前緣，并在兩端接有490mm×47mm的兩塊平板模擬葉片兩面。燃氣通道進口尺寸為360mm×47mm。葉片前緣弧面直徑為100mm。冷氣供氣腔進口尺寸為30mm×70mm。兩個出口尺寸均為130mm×47mm。

圖3為生成的整體三維網(wǎng)格，根據(jù)模型特點，將計算域劃分為燃氣通道、氣膜孔和冷氣腔三部分。為更好生成網(wǎng)格，將燃氣腔再次分為入口部分，前緣部分，上下出口部分。計算網(wǎng)格采用Gambit生成。先生成氣膜孔內(nèi)的網(wǎng)格，由于氣膜孔為圓柱結(jié)構(gòu)，且存在分支，結(jié)構(gòu)比較復雜，因此采用四面體網(wǎng)格生成氣膜孔內(nèi)部和氣膜孔出口網(wǎng)格。前緣扇形區(qū)域需控制逆流方向網(wǎng)格發(fā)散比例，從前緣面沿逆向平鋪即可。為了更細致和準確地表現(xiàn)葉型表面的流動狀況，對其進行邊界層加密處理。主流通道網(wǎng)格沿著y向平鋪，尺寸逐漸變大。被冷卻壁面的第一層網(wǎng)格在y方向的距離為0.1mm，對應的y＋變化范圍為1～10，整個計算域的網(wǎng)格總數(shù)為1.2×106。

圖3 整體網(wǎng)格構(gòu)造示意圖Fig.3 Computation domain and grids

1.3 參數(shù)定義

主流雷諾數(shù)定義為Re＝ud／ν，吹風比定義為Br＝ρcuc／ρloculoc，冷卻效率定義為η＝（Taw－T∞）／（Tc－T∞）。其中，u為主流通道入口的平均速度，d為主孔直徑，ν為運動粘性系數(shù)，ρc和ρloc分別為冷氣在通道入口的密度和主流在氣膜孔出口處密度，uc和uloc分別為冷氣在氣膜孔入口的平均速度和主流在氣膜孔出口處速度。同時由于孔間距的定義也是以相鄰兩個孔的入口距離定義的，這意味著雙出口射流和圓柱孔射流具有相同吹風比時，必然具有相同的冷氣流量。Taw、T∞、Tc分別為被冷卻壁面絕熱溫度、主流溫度和冷氣溫度。

1.4 邊界條件

主流通道入口給平均速度為15m／s，基于該速度和主孔直徑的雷諾數(shù)Re＝9100。供氣腔入口根據(jù)吹風比給出質(zhì)量流量。主流通道的側(cè)壁按照周期性邊界條件處理。主流通道入口湍流度Tu分別為0.4%、10%和30%。主流入口溫度給300K，二次流入口溫度給330K。壁面絕熱。計算的吹風比分別為0.5、1.5和2.0。

2 結(jié)果分析

2.1 計算結(jié)果和實驗數(shù)據(jù)對比

圖4給出了入口湍流度30%，吹風比Br分別為1.0和2.0時圓柱孔射流冷卻效率計算值和利用熱電偶－薄膜測溫技術(shù)在大尺度低速風洞中得到的實驗數(shù)據(jù)對比。二者吻合較好，只在半圓柱面和平板相交位置（x／d＝5.8）附近，實驗值在流動方向略有上升，而計算值沒有得到這個變化趨勢。無論從計算值還是實驗值都可以發(fā)現(xiàn)，吹風比增加使圓柱孔射流冷卻效率略有降低。這和后面雙出口孔射流的冷卻效率隨吹風比變化的規(guī)律不同。

2.2 吹風比對氣膜冷卻效率的影響

圖5的3張圖分別顯示了Tu＝0.4%、Tu＝10%、Tu＝30%時，吹風比對冷卻效率的影響。Tu＝0.4%時，吹風比為0.5的氣膜孔附近的冷卻效率最好。在x／d＞7范圍，吹風比1.0的冷卻效率高于吹風比0.5的冷卻效率。吹風比2.0的冷卻效率最小。究其原因，湍流度0.4%時前緣位置的主流邊界層非常薄，吹風比過大，二次流穿透邊界層進入主流核心區(qū)的流量增加，使在壁面附近的冷氣量減少。在2＜x／d＜10范圍，冷卻效率隨下游距離的增加減小地較為迅速，到達x／d＝15處，冷卻效率曲線大致趨于平穩(wěn)。Tu＝10%時，吹風比1.0的冷卻效率最高。吹風比2.0時，遠離下游處的冷卻效率曲線有上升趨勢。分析其原因，可能是由于吹風比的增大，射流的初始動量逐漸增大，甚至大于主流的動量，導致冷氣射流具備了穿越壁面附面層的能力，這樣射流就不易在冷卻孔附近貼附于壁面，而是呈現(xiàn)一個比小吹風比更加明顯的彎向壁面的過程，導致冷卻效率下降，但是在距氣膜孔下游較遠處，沒有貼附于前緣壁面的冷氣起到了冷卻作用，因此下游再附著區(qū)域的冷卻效率有微小增加。Tu＝30%，隨著吹風比的增加，冷卻效率顯著增加。說明在高湍流度下，增加冷氣量可以有效提高氣膜冷卻效率。前面提到的圓柱孔射流時，冷卻效率隨吹風比增加是降低的。這說明高湍流度下的雙出口孔射流在冷氣量較大時更有優(yōu)勢。

圖4 計算結(jié)果和實驗數(shù)據(jù)對比Fig.4 Comparison of numerical results and experimental data

圖6給出了湍流度30%時，不同吹風比下的冷氣流線圖。隨著吹風比的增加，出口處的流線產(chǎn)生明顯的橫流趨勢，并在下游產(chǎn)生旋流。在吹風比Br＝2.0時，主孔和次孔射流之間的相互作用變得明顯。吹風比的增大使冷氣射出的橫向動量增加，冷卻效率沿著葉高方向更加均勻。吹風比較大時，二次流出口速度大，由于是橫流流動，在主流的推動下借助自身向上的動量，產(chǎn)生逆時針方向的旋流。同一個氣膜孔兩個出口的冷氣摻混到一起，次孔射流將主孔射流壓在壁面，改善了主孔射流的冷氣在壁面的貼附，而在吹風比為0.5和1.0時，同一個氣膜孔兩個出口冷氣在氣膜孔下游較長范圍沒有相互摻混，出現(xiàn)類似雙排孔錯排情況下的氣膜冷卻特性，沒有起到利用雙出口孔射流改善氣膜冷卻流場的作用。

2.3 湍流度對氣膜冷卻效率的影響

從圖7可以看出，吹風比0.5時，隨著湍流度增大，冷卻效率顯著降低。分析其原因，湍流度增加，導致冷氣與主流摻混劇烈，冷氣在來流作用下迅速向壁面偏折，導致冷氣覆蓋面積減少，從而使冷卻效率降低。在x／d＝10處，湍流度從0.5%增加到10%，冷卻效率減少了約69%，湍流度從10%增加到20%，冷卻效率減少了72%。吹風比1.0時，湍流度對冷卻效率的影響分為兩個區(qū)域。在x／d＜7的近口區(qū)域，湍流度對冷卻效率的影響比較復雜。在x／d＞7的范圍，隨著湍流度的增加，冷卻效率降低。吹風比1.0時，Tu＝0.4%的工況表明，在1＜x／d＜7的范圍，冷卻效率隨著x／d的增加有所提高，在x／d＝7處達到最大值，隨后冷卻效率隨著湍流度的增加而降低。究其原因，可能是低湍流度0.4%時的主流邊界層相對較厚，冷氣從氣膜孔噴出后形成的分離區(qū)較大，在壁面附近的冷氣量減少，冷卻效率降低，而在x／d＝7的位置，進入核心區(qū)的二次流在主流的作用下再次被壓向壁面，補充了冷氣在壁面的氣流量而提高了冷卻效率。吹風比2.0時，隨著湍流度增大，冷卻效率增大。隨著x／d的增加，冷卻效率先降低，然后趨于平緩。湍流度對冷卻效率的影響是其影響冷卻射流在主流中擴散的直接結(jié)果，由于小吹風比情況下冷卻射流貼附壁面，大吹風比情況下冷卻射流與壁面分離，因而湍流度對冷卻效率的影響對于不同吹風比而言差別迥異。

圖7 湍流度對氣膜冷卻效率的影響Fig.7 Influence of turbulence intensity on film cooling effectiveness

3 結(jié) 論

本文利用數(shù)值模擬的方法研究了雙出口孔射流的氣膜冷卻效率，并且將圓柱孔射流的冷卻效率效率計算結(jié)果和實驗數(shù)據(jù)進行了對比。獲得的主要結(jié)論如下：

（1）圓柱孔射流冷卻效率計算結(jié)果和實驗數(shù)據(jù)吻合較好，二者都是隨著吹風比的增加而降低。

（2）湍流度為0.4%和10%時，最高冷卻效率在吹風比1.0時獲得；湍流度30%時，最高冷卻效率在吹風比2.0時獲得。

（3）吹風比0.5和1.0時，冷卻效率隨著湍流度的增加而降低；吹風比2.0時，冷卻效率隨著湍流度的增加而增加。

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