气膜孔的位置对涡结构和气膜冷却效率的影响

㊀收稿日期:２０１８￣０５￣０７㊀㊀㊀㊀㊀

㊀基金项目:中央高校基本科研业务费专项资金资助(Ｎｏ.１７ｌｇｊｃ４１)ꎮ

㊀作者简介:陈志涯(１９９０￣)ꎬ男ꎬ博士研究生ꎮ主要从事流动结构研究ꎮ

气膜孔的位置对涡结构和气膜冷却效率的影响

陈志涯ꎬ詹杰民ꎬ龚也君ꎬ胡文清

(中山大学工学院应用力学与工程系ꎬ广州５１０２７５)

摘要:在燃气轮机中ꎬ气膜冷却技术能有效地从高温燃气中保护涡轮叶片ꎬ如何提高气膜冷却效率是气膜冷却研究的热点问题ꎮ使用大涡模拟(ＬＥＳ)模型分析了平板气膜孔在吹风比为０.５工况时气膜孔下游的速度分布ꎬ并与实验进行对比验证ꎮ在相同吹风比下ꎬ通过模拟叶片上不同气膜孔的位置相应的入口速度分布ꎬ研究其对气膜冷却效率的影响ꎬ以及对气膜冷却过程中占主导地位涡结构的形成和发展的重要影响ꎮ随着气膜孔的位置靠后ꎬ湍流边界层随之增厚ꎬ滚子涡和肾型涡对生成加快ꎬ涡强增大ꎬ涡核脱离壁面ꎬ从而影响气膜冷却效率ꎮ湍流边界层的变化对流向和展向的气膜冷却效率和冷却覆盖范围有明显的影响ꎮ关键词:燃气轮机ꎻ气膜冷却ꎻ大涡模拟ꎻ湍流边界层

分类号:ＴＫ４７㊀㊀㊀文献标识码:Ａ㊀㊀㊀文章编号:１００１￣５８８４(２０１９)０１￣００２９￣０４

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Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｉｎｇａｓｔｕｒｂｉｎｅꎬｆｉｌｍｃｏｏｌｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｃａｎｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙｐｒｏｔｅｃｔｔｕｒｂｉｎｅｂｌａｄｅｓｆｒｏｍｈｉｇｈｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｇａｓ.Ｈｏｗｔｏｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｆｉｌｍｃｏｏｌｉｎｇｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｉｓａｈｏｔｉｓｓｕｅｉｎｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｏｆｆｉｌｍｃｏｏｌｉｎｇ.Ｔｈｅｄｏｗｎｓｔｒｅａｍｖｅｌｏｃｉｔｙｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆａｆｌａｔｆｉｌｍ￣ｃｏｏｌｉｎｇｐｌａｎｅｗｈｅｎｂｌｏｗｉｎｇｒａｔｉｏｅｑｕａｌｓ０.５ｗａｓａｎａｌｙｚｅｄｂｙｕｓｉｎｇＬａｒｇｅｅｄｄｙｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ(ＬＥＳ)ｍｏｄｅｌꎬａｎｄ

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Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｇａｓｔｕｒｂｉｎｅꎻｆｉｌｍｃｏｏｌｉｎｇꎻｌａｒｇｅｅｄｄｙｓｉｍｕｌａｔｉｏｎꎻｔｕｒｂｕｌｅｎｔｂｏｕｎｄａｒｙｌａｙｅｒ

０㊀前㊀言

在燃气轮机中ꎬ气膜冷却技术能有效地防止叶片被高温的燃气过分加热而产生热疲劳ꎮ在气膜冷却的整个过程中ꎬ大量的涡结构由于冷却射流和主流边界层的强烈混合而产生ꎬ会极大地影响局部的传热系数和气膜冷却的效率ꎮ现阶段ꎬ国内外已经有众多实验研究提高气膜冷却效率ꎮ这些研究一部分集中于最优化气膜孔的形状ꎮＧｏｌｄｓｔｅｉｎ等人[１]通过实验研究了不同形状的气膜孔和不同的空气密度的影响ꎬ发现通过扩大气膜孔的出口宽度可以很有效地提高气膜冷却效率ꎮＧｒｉｔｓｃｈ等人[２]和Ｆｏｒｇｈａｎ等人[３]研究了扩张气膜孔对冷却效率的影响ꎮ刘晓红等人[４]通过设计不同的辅助性的小气膜孔ꎬ研究其对主要射流的气膜冷却效率的影响ꎮＹｕｅｎ等人

[５]

和Ｌｅｅ等人

[６]

对不同射流夹角的气膜

孔模拟并研究了在气膜冷却过程中的特征结构ꎮ另一些研究通过改变射流喷射的方式来提高冷却效率ꎮＥｋｋａｄ等人[７]研究周期性喷射的小孔对气膜冷却效率的影响ꎮＣｏｕｌｔｈａｒｄ等人[８ꎬ９]和Ｂｉｄａｎ等人[１０ꎬ１１]发现在气膜孔周期性地开启射流时会产生强烈的扰动从而产生很强的涡结构ꎬ导致气膜冷却效率的降低ꎮ李硕等[１２]应用ＬＥＳ研究了不同吹风比对具体涡结构和冷却效率的影响ꎮ

气膜冷却效率不仅与气膜孔的形状和射流方式有关ꎬ还与其在叶片表面的位置有关ꎮ在涡轮叶片的不同位置具有不同的速度分布ꎬ距离叶片前缘越远ꎬ其湍流边界层越厚ꎮ本文关注在叶片不同位置的入口速度分布对气膜孔冷却效率的影响ꎮ应用大涡模拟方法模拟分析瞬态的气膜冷却过程中冷却射流与主流热气之间的强烈掺混过程ꎬ并研究气膜孔的位置对流向和展向的平均冷却效率的影响ꎮ

第６１卷第１期汽㊀轮㊀机㊀技㊀术Ｖｏｌ.６１Ｎｏ.１

２０１９年２月

ＴＵＲＢＩＮＥＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ

Ｆｅｂ.２０１９