燃气透平凹槽状叶顶气膜冷却特性研究.pdf

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1、第27卷第1期《燃气轮机技术》V0I_27No．12014年3月GASTURBINETECHNOLoGYMar．．2014燃气透平凹槽状叶顶气膜冷却特性研究杜昆，晏鑫，李军(西安交通大学叶轮机械研究所，西安710049)摘要：采用数值求解三维Reynolds—AveragedNavier—Stokes(RANS)和k一∞紊流模型的方法研究了燃气透平凹槽状叶顶气膜冷却特性。通过比较4种紊流模型的数值结果与GE—E实验数据，验证了采用标准k一∞紊流模型可以有效地模拟叶顶间隙的流动换热特性。计算分析了无气膜冷却时凹槽深度对叶顶间隙流动传热的影响特性。开展了凹槽状叶顶的气膜冷却

2、几何结构参数气膜孔直径、气膜孔间距比、位置和吹风比对叶顶流动传热特性的影响。研究结果表明：无气膜冷却时，在1．5％叶高的叶顶间隙条件下凹槽深度为2％叶高时叶顶平均换热系数最高，凹槽深度继续增加，表面平均换热系数迅速降低。对于凹槽状叶顶气膜冷却特性的研究表明：在气膜孔叶顶中弧线布置方式下，吹风比为1．0时气膜冷却效率最好；在气膜孔叶顶中弧线布置方式和吹风比为1．0时气膜孔直径越大冷却效果越好；在吹风比是1．0时气膜孔布置在靠近吸力面侧时冷却效果最差；在气膜孔叶顶中弧线布置方式和吹风比是1．0时，间距比为5时凹槽状叶顶的气膜冷却效果达到最佳。关键词：燃气透平；凹槽状叶顶；气

3、膜冷却；数值模拟中图分类号：TKd72文献标识码：A文章编号：1009—2889(2014)0l一0027—05叶顶流动传热和气膜冷却的研究对于保证燃气凹槽状叶顶气膜冷却结构参数对叶顶间隙流动透平的安全高效运行具有重要作用，一直是燃气透和换热特性影响的研究需要进一步加强。本文采用平叶片研究的重点领域。实验测量和数值模拟的研GE—E叶型为研究对象，开展凹槽状叶顶气膜冷却究工作是阐明燃气透平叶顶的流动换热机理和影响的几何结构参数和吹风比对叶顶流动换热特性的影机制的主要方法¨-21。Rued和Metzger将叶顶间响研究，为高性能凹槽状叶顶气膜冷却设计提供理隙泄漏流在叶顶压力

4、面侧和吸力面侧模拟为汇流和论基础和技术数据。源流，研究了叶顶泄漏对叶片压力面和吸力面传热1计算模型及数值方法的影响。Azad等采用瞬态液晶技术对GE—E。发动机叶片平叶顶结构的流动和换热进行了研究。杨采用实验测量的GE—E叶顶型线放大3倍得佃亮等研究了凹槽状叶顶不同密封结构对其流到的叶高122mm、弦长86．1mm的叶栅¨为研究动传热特性的影响规律。Yang等数值研究了叶对象，开展数值方法可靠性验证。在此基础上，开展顶与机匣相对运动时的凹槽状叶顶间隙泄漏流动和相同叶型凹槽状叶顶的气膜冷却特性研究。换热特性。Zhou等数值研究了无气膜冷却时具图1给出了计算的叶型型线和计算

5、网格。计算有小翼结构的叶顶流动传热特性。Zhou等采用网格采用ANSYS—ICEM生成多块结构化网格，计算数值模拟方法研究了无围带的凹槽状叶顶肩壁布置进口段长度取1倍叶片轴向弦长，为防止回流的出方式对具有气膜冷却结构的间隙泄漏流动和传热特现，出口段长度取1．8倍轴向弦长。叶片壁面附近性的影响。李军等采用数值方法研究凹槽状叶及叶片顶部间隙区域均采用O型网格剖分，叶顶间顶中弧线布置方式下动叶／静叶相对运动时非定常隙为1．5％叶高，壁面Y<1。网格数为180万，根叶顶气膜冷却特性。据文献[5]，180万网格足以准确模拟叶顶间隙的流收稿日期：2013—06—24改稿日期：201

6、3—07—03基金项目：国家自然科学基金资助项目(51106123)和中央高校基本科研业务费专项基金。作者简介：杜昆(1990一)，男，硕士生；李军(通讯作者)，男，教授，博士生导师。E—mail：junli@mail．xjtu．edu．cn。第1期燃气透平凹槽状叶顶气膜冷却特性研究31[2]Bogand，D．G．，Thole，K．A．GasTurbineFilmCooling[J]．3结论JournalofPropulsionandPower，2006，22(2)：249—270．[3]MetzgerDE，BunkerRS，ChyuMK．CavityHeatTrans

7、ferona本文采用数值方法研究了凹槽状叶顶气膜冷却TransverseGroovedWallinaNarrowFlowChannel『J]．ASME性能。采用标准k一紊流模型模拟的叶型换热系JournalofHeatTransfer，1989，111：73—79．数与实验数据吻合良好。数值预测了凹槽深度对凹[4]AzadGS，HanJC，TengS．，eta1．HeatTransferandPressure槽状叶顶传热特性的影响，研究结果给出了凹槽能DistributionsonaGasTurbineBladeTip[J]．ASMEJo