燃?xì)廨啓C(jī)透平靜葉端壁氣膜冷卻的數(shù)值研究*

張 玲 謝恒龍

(東北電力大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院)

燃?xì)廨啓C(jī)透平靜葉端壁氣膜冷卻的數(shù)值研究*

張 玲**謝恒龍

(東北電力大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院)

對(duì)葉柵通道端壁與氣膜孔進(jìn)行了建模、網(wǎng)格劃分和設(shè)置邊界條件。通過改變射流入射角度、吹風(fēng)比和氣膜孔排列方式，對(duì)端壁復(fù)合角度氣膜孔的傳熱特性進(jìn)行了分析。模擬結(jié)果表明：當(dāng)采用復(fù)合角度時(shí)端壁努塞爾數(shù)比單一角度相同位置的努塞爾數(shù)大，當(dāng)復(fù)合角度為α=35°、β=45°時(shí)努塞爾數(shù)最大；隨吹風(fēng)比的增大,努塞爾數(shù)逐漸增加；當(dāng)復(fù)合角度為α=30°、β=45°時(shí)，氣膜孔采用插排布置傳熱效果最好。

燃?xì)廨啓C(jī) 端壁氣膜冷卻 傳熱特性 努塞爾數(shù) 吹風(fēng)比 復(fù)合角度

近年來，燃?xì)廨啓C(jī)在石油化工領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，是發(fā)電技術(shù)中的一項(xiàng)關(guān)鍵設(shè)備[1～4]。先進(jìn)的燃?xì)廨啓C(jī)具有效率高、噪音低及排放低等特點(diǎn)，是提供清潔、可靠、高質(zhì)量發(fā)電和熱電聯(lián)供的最佳方式[5]。燃?xì)廨啓C(jī)傳遞給透平葉片的熱量隨著透平進(jìn)口溫度的升高而增加。根據(jù)工業(yè)用燃?xì)廨啓C(jī)和航空用燃?xì)廨啓C(jī)的實(shí)際使用性能，燃?xì)廨啓C(jī)入口溫度為1 000～1 200℃，熱效率30%～34%，可長期運(yùn)轉(zhuǎn)。石油煉制、石油化學(xué)工業(yè)等工藝過程組合使用的燃?xì)廨啓C(jī)，入口溫度1 000～1 100℃，熱效率31%左右[6]。由于燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行溫度遠(yuǎn)高于金屬許用溫度，所以為保證安全運(yùn)行需要對(duì)葉片進(jìn)行冷卻，限制葉片材料內(nèi)的溫度水平和溫度變化，保證合理的使用壽命。

對(duì)于燃?xì)廨啓C(jī)的氣膜冷卻而言，端壁氣膜冷卻流場結(jié)構(gòu)尤為復(fù)雜。這是因?yàn)槎吮谌肟跉饬髦写嬖诘膲毫蜏囟忍荻葘?dǎo)致靜葉片通道中產(chǎn)生二次流；每個(gè)葉片前緣附近的邊界層翻卷為分開的馬蹄渦并涌入通道；強(qiáng)大的橫向壓力梯度產(chǎn)生具有橫向分速的端壁三維邊界層。為此，國內(nèi)外研究人員對(duì)端壁的氣膜冷卻做了大量研究。Okita Y和Nakamata C對(duì)非軸對(duì)稱端壁的氣膜冷卻效率進(jìn)行了研究，結(jié)果表明非軸對(duì)稱端壁能夠減少通道中二次流的影響，強(qiáng)化氣膜冷卻作用，提高氣膜冷卻效率[7]；Barigozzi G等分析了扇形氣膜孔對(duì)端壁氣膜冷卻傳熱特性的影響，結(jié)果表明，與圓柱氣膜孔相比，扇形氣膜孔削弱二次流的能力較大，冷卻氣體能有效覆蓋端壁表面[8]；Friedrichs S等采用氨和重氮技術(shù)對(duì)渦輪葉片端壁處二次流的分布進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，利用類比存在的熱量和質(zhì)量傳遞方法分析了端壁冷卻射流的相互作用和二次流對(duì)氣膜冷卻效果的影響，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以直觀地觀察到通道渦對(duì)氣膜冷卻的影響和冷卻射流與二次流之間的相互作用[9]；王釗等利用數(shù)值模擬的方法對(duì)端壁氣膜冷卻進(jìn)行了研究，并與無氣膜冷卻的端壁進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果表明，在有氣膜冷卻的情況下，端壁氣膜孔周圍的換熱系數(shù)明顯減小[10]；彭紹輝等對(duì)上凸下凹非軸對(duì)稱端壁和軸對(duì)稱端壁進(jìn)行了數(shù)值模擬對(duì)比，結(jié)果表明，使用上凸下凹非軸對(duì)稱端壁時(shí)，通道中二次流的作用減弱，馬蹄渦的作用有所減少，氣膜冷卻效率明顯提高[11]。

雖然國內(nèi)外學(xué)者對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)端壁氣膜冷卻做了大量研究，但有關(guān)復(fù)合角度(不同方向的入射角α、β)射流對(duì)端壁冷卻傳熱特性的研究卻很少。為此，筆者通過改變吹風(fēng)比M和端壁氣膜孔的排列方式，研究了不同復(fù)合角度對(duì)端壁氣膜冷卻傳熱特性的影響。

1 幾何模型與數(shù)值模擬

1.1幾何模型和網(wǎng)格劃分

筆者采用Solidworks軟件借助高壓渦輪導(dǎo)向葉片MarkⅡ[12]的葉片數(shù)據(jù)進(jìn)行建模，詳細(xì)的葉柵幾何參數(shù)如下：

安裝角 63.45°

葉片高度 76.3mm

葉柵間距 127.81mm

葉柵吼道 39.62mm

吸力面弧長 158.45mm

壓力面弧長 129.65mm

葉片弦長 136.36mm

葉片軸向弦長 68.21mm

為了在計(jì)算時(shí)使主流穩(wěn)定，在模型的進(jìn)口和出口區(qū)域各延長了約一個(gè)葉片弦長的距離。同時(shí)，參照文獻(xiàn)[13]中實(shí)驗(yàn)選用的氣膜冷卻孔布置方式，在葉珊端壁上開設(shè)4排冷卻孔，孔型為圓柱形，孔徑1.5mm。葉柵通道的物理模型和氣膜孔的具體位置如圖1所示。對(duì)模型采用分區(qū)(射流區(qū)域和葉柵通道區(qū)域)劃分的方式。射流區(qū)域采用六面體網(wǎng)格，葉柵通道采用混合網(wǎng)格，對(duì)端壁面和氣膜孔附近進(jìn)行局部加密，網(wǎng)格總數(shù)八十多萬，具體劃分情況如圖2所示。

圖1 葉柵通道的物理模型與氣膜孔位置分布

圖2 葉柵通道與氣膜孔的網(wǎng)格劃分

1.2數(shù)值方法與邊界條件

筆者采用Standardk-ε兩方程紊流模型，對(duì)控制方程采用有限體積法進(jìn)行離散，離散格式采用二階迎風(fēng)格式，利用SIMPLE算法進(jìn)行求解。

定義計(jì)算域兩個(gè)側(cè)面為周期性邊界條件，通道區(qū)域射流入口和主流入口均采用速度邊界條件，通道區(qū)域出口采用壓力邊界條件，主流入口溫度800K，射流溫度400K，主流和射流均采用空氣作為流體介質(zhì)。定義吹風(fēng)比M為：

式中Uj、U∞——射流、主流的流體平均速度；

ρj、ρ∞——射流、主流的流體密度。

2 模擬結(jié)果分析

2.1不同復(fù)合角度與單一角度的傳熱特性分析

圖3為M=2時(shí)不同復(fù)合角度下端壁努塞爾數(shù)Nu的分布圖。

圖3 M=2時(shí)不同復(fù)合角度下端壁Nu分布

由圖3可以看出，在端壁處采用復(fù)合角度的Nu比采用單一角度時(shí)的高，且在通道尾緣區(qū)域冷卻范圍更廣，這是因?yàn)槎吮诓捎脧?fù)合角度后，有效地減弱了二次流的影響，并且降低了通道渦的形成，使主流氣體卷吸冷卻介質(zhì)的能力減小，致使冷卻效率提高，Nu增大。從圖3a、c可以看出，采用單一入射角α=35°的端壁比α=30°時(shí)的傳熱效果更好，這是因?yàn)槿肷浣窃酱?，射流抑制二次流形成的能力越大，馬蹄渦卷吸射流的能力被減弱。由于冷卻介質(zhì)較少，通道前緣部分的第一排孔處基本沒有被冷卻。壓力面上游區(qū)域基本沒有冷卻氣體覆蓋，這是由于在這個(gè)區(qū)域有二次流的強(qiáng)烈擾動(dòng)，射流的動(dòng)量較小，不能克服二次流的橫向阻力以至于脫離壁面。在通道前緣和壓力面上游區(qū)域增加氣膜孔能有效提高Nu。

2.2不同吹風(fēng)比下的傳熱特性分析

圖4為葉柵端壁復(fù)合角度α=35°、β=45°時(shí)的不同吹風(fēng)比下的Nu分布。

由圖4可以看出，隨著吹風(fēng)比的增加，Nu逐漸增大。但是在第一排孔附近的Nu變化并不是很大，從第二排孔開始，隨著吹風(fēng)比的增加，Nu變化得越來越明顯，在第四排孔處，Nu達(dá)到最大值。這是因?yàn)樵诘谝慌趴滋幚鋮s介質(zhì)比較少，冷卻效果并不明顯，隨著孔排數(shù)的增加，冷卻氣體越來越多，在第四排孔處達(dá)到最大值，所以冷卻效果最好，Nu達(dá)到最大值。由圖4c、d可以看出，當(dāng)吹風(fēng)比較小時(shí)，Nu變化并不是很大，當(dāng)吹風(fēng)比增加到3時(shí)，Nu急劇增加，表明吹風(fēng)比越大，冷卻介質(zhì)越多，冷卻效果越明顯。

圖4 α=35°、β=45°時(shí)的不同吹風(fēng)比下的Nu分布

2.3端壁復(fù)合角度順排孔與插排孔的傳熱特性分析

圖5為M=2時(shí)不同復(fù)合角度下采用不同排列方式的端壁氣膜冷卻孔的Nu分布。

圖5 M=2時(shí)不同復(fù)合角度下采用不同排列方式的端壁氣膜冷卻孔的Nu分布

由圖5a、b可以看出，葉柵端壁復(fù)合角度為α=30°、β=45°時(shí)插排孔比順排孔傳熱效果更好。尤其在插排的第四排孔處，傳熱強(qiáng)度和范圍都有很大提高。這是由于在壓力面前緣，壓力面?zhèn)鹊鸟R蹄渦在演變?yōu)橥ǖ罍u并向吸力面后緣靠近的過程中，第二排插排孔有效減弱了通道渦的形成，并對(duì)二次流的形成也有抑制作用。冷卻氣體能有效地對(duì)端壁進(jìn)行冷卻，在第四排插排孔處，Nu達(dá)到最大值。當(dāng)端壁復(fù)合角度采用α=35°、β=45°或α=45°、β=45°時(shí)，無論是采用順排孔還是插排孔，Nu變化并不明顯。由此說明并不是所有端壁在采用插排孔時(shí)的傳熱效果都比順排孔好，而是在一定的入射角前提下，端壁采用插排孔能有效抑制通道渦的形成，提高傳熱能力。

3 結(jié)論

3.1由不同復(fù)合角度的傳熱特性分析可知，端壁氣膜孔復(fù)合角度的引入能減弱二次流對(duì)冷卻介質(zhì)的卷吸作用，使傳熱能力增強(qiáng)，復(fù)合角度α=35°、β=45°時(shí)傳熱效果最好。

3.2由不同吹風(fēng)比的傳熱特性分析可知，隨著吹風(fēng)比的增加，端壁氣膜冷卻Nu有所提高，當(dāng)吹風(fēng)比越來越大時(shí)，傳熱能力增加的更加明顯，吹風(fēng)比對(duì)端壁氣膜冷卻傳熱特性的影響最大。

3.3由不同復(fù)合角度下不同排列方式的傳熱特性分析可知，當(dāng)復(fù)合角度為α=30°、β=45°時(shí)，氣膜孔采用插排排列能降低端壁表面二次流對(duì)冷卻介質(zhì)的影響，削弱馬蹄渦流過通道時(shí)對(duì)冷卻射流的卷吸作用。

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NumericalInvestigationofEndwallFilmCoolinginGasTurbineStator

ZHANG Ling ,XIE Heng-long

(CollegeofEnergyandPowerEngineering,NortheastDaliUniversity,Jilin132012,China)

Endwall modeling for the cascade passage and mesh generation as well as setting boundary conditions were implemented. Through changing jet angle and jet blowing ratio and arranging gas film holes, the heat transfer character of gas film holes at endwall compound angle was analyzed. Simulation results indicate that when the compound angle is adopted, the endwall Nusselt number becomes larger than that at a single angle;and when the compound angleαis 35° andβis 45°, the Nusselt number comes to the biggest and with the increase of blowing ratio, the Nusselt number gradually increases; and when compound angleαis 35° andβis 45°, the film holes boasting of strip layout have best heat transfer effect.

gas turbine, endwall film cooling, heat transfer character, Nusselt number, blowing ratio, compound angle

*吉林省科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(20130101046JC)。

**張 玲，女，1970年1月生，教授。吉林省吉林市，132012。

TQ052.73

A

0254-6094(2016)03-0341-06

2015-07-07，

2016-05-14)

(Continued from Page 283)

AbstractRegarding the filtering of materials boasting high viscosity and compressibility and low solid-phase concentration, the enhanced filtering technologies with the filter aid as required were adopted for their solid-liquid filtration. Only filter aid properly-selected in types and amount has effects of benefiting the filtration like reducing filter cake resistance, accelerating the filtration speed and clarifying the filtering liquid.

Keywordsfilter aid, material with high viscosity, compressible material, filtration performance