旋转对复合角度气膜冷却叶片的数值模拟

第53卷第3期2011年6月汽轮机技术TURBINETECHN0L0GYV0153NO3JUN201I旋转对复合角度气膜冷却叶片的数值模拟李少华，李知骏，王梅丽，郭婷婷1东北电力大学，吉林132012；2北京国电龙源环保工程有限公司，北京102206摘要采用REALIZABLE一S紊流模型并结合SIMPLEC算法，对前缘复合角度D30。45。，口90。45。的动叶栅在不同旋转状速度下的气膜冷却效率进行计算。分析了不同转速、吹风比、叶片前缘射流角度对气膜冷却效率的影响。计算结果表明旋转导致冷却射流向叶顶偏移，转速越高气膜冷却效率越低；高转速时叶盆区域有回流涡旋形成；高吹风比使得冷却射流在吸力面的贴壁性变差；比较两种前缘冷气喷射角度的计算结果可以看出，前缘冷却气流喷射角度较小时的气膜冷却效果较好。关键词气膜冷却；非定常尾迹；数值模拟；复合角度；冷却效率分类号TK262文献标识码A文章编号10015884201103016403NUMERICALSIMULATIONSTUDYONTHEEFFECTOFROTATIONONFILMCOOLINGOFBLADESWITHCOMPOUNDANGLEHOLESLISHAOHUA，LIZHIJUN，WANGMEI1I，GUOTINGTING1NORTHEASTDIANLIUNIVERSITYJILIN132012CHINA；2STATEPOWERLONGYUANENVIRONMENTENGINEERINGOFBEIJING，BEIJING102206，CHINAABSTRACTFILMCOOLINGEFFECTIVENESSOFROTATINGTURBINEBLADESWITHCOMPOUNDANGLEHOLESHASBEENINVESTIGATEDBYNUMENCMSIMULATIONCALCULATIONSOFMOVINGBLADESUNDERDIFFERENTROTATIONALSPEEDCONDITIONSTHEEFFECTOFROTATIONALVELOCITY，BLOWINGRATEANDINCIDENCEANGLEOFTHECOOLINGAIRJETATLEADINGEDGEONFILMCOOLINGHAVEBEENANALYZEDCALCULATIONRESULTSSHOWTHATROTATIONCAUSESFILMCOOLINGJETFLOWSKEWTOBLADESTIPCOOLINGEFFECTONTHESURFACETODROPTHEQUICKERTHEROTATIONTHELOWERTHECOOLINGEFFECTINHIGHSPEEDREVERSEDFLOWAPPEAREDINTHEBOTTOMPRESSURESUNCACE，COOLINGJETBADINWALLADHERENCECHARACTERISTICONSUCTIONSURFACEWHENINHIGHBLOWINGRATETHEREISTHEBETTERFILMCOOLINGEFFECTIVENESSWITHTHESMALLERIETANGLEOFTHELEADINGEDGEKEYWORDSFDMCOOLING；UNSTEADYWAKES；NUMERICALSIMULATION；COMPOUNDANGLE；COOLINGEFFECTIVENESS0前言提高燃气透平人口温度是提高燃气轮机运行效率的最为有效的措施。但燃气轮机转子的进口温度已远比叶片材料的熔点高，提高透平进口初温后必须采取更为有效的冷却方法对叶片等高温部位加以保护，以使其免受高温腐蚀和灼伤。气膜冷却技术是对涡轮叶片实施防热保护的一个重要措施。目前，对气膜冷却的研究取得了一些成果。ANDREOPOULOS|】和CRABB较早使用热线和激光多普勒测速仪LDA对横向紊动射流问题进行了测量，分别得到了射流中的平均和脉动速度值。MTSCBOBEIRI等对一排高负荷低压涡轮叶片的非定常实验研究发现，周期性尾迹中的压力梯度、湍流顺势脉动梯度给边界层的流体注入了更高的能量和动量，从而使分离区整体或者部分消退。郭婷婷等利用热线风速仪系统测量了对称面内的流动，得到了射流与主气流速度比R2和尺4的速度场和湍动能分布，并给出了不同工况下的射流轴线轨迹。韩振兴采用热敏液晶技术对燃气轮机气膜冷却特性进行了实验研究，通过实验数据分析得到了最优吹风比，并得出了换热系数和冷却效率的分布。数值模拟已成为研究气膜冷却问题的重要手段。DRING和BLAIR等”在低速旋转动叶模型上研究了吹风比对叶片局部气膜冷却效率的影响，并与平板气膜冷却的实验结果进行了对比。李少华通过数值模拟分析了各种孔排结构在不同吹风比下对气膜冷却效率的影响。郭婷婷等人采用大涡模拟对单个圆形喷孔横向紊动射流流动进行了数值研究，模拟了吹风比M20I况下的不同截面上的涡量随时间发展变化的过程。文献10对三维紊动射流的流场的结构进行了详细的数值分析。袁峰等对带有气膜冷却的涡轮叶收稿日期2O100927基金项目国家自然科学基金项目50946040。作者简介李少华1957，男，博士生导师，教授。研究方向为流体机械内部流动特性及防磨技术研究、多相流动实验与数值模拟方法研究、数字电站系统及电站运行经济特性评价方法研究等。第3期李少华等旋转对复合角度气膜冷却叶片的数值模拟165片进行三维数值模拟，研究旋转、吹风比和冷气喷射角度对叶片表面绝热冷却效率的影响。虽然国内外对气膜冷却的研究已很多，但是对复合角度叶片的研究还是少之又少。侧向复合角度可使射流降低轴向动量，同时也能强化横向动量，可得到更均匀的冷却效果，因此有必要对复合角度涡轮叶片的工作情况进行深入研究，从而更为有效地对叶片进行冷却。同时高速旋转造成叶栅中流动非常复杂在实际的旋转叶片上得到的数据很少。利用数值模拟技术对其进行研究，可以得到叶片在高转速时的数据。数值模拟技术的发展对燃气轮机叶片及叶片气膜冷却的设计意义重大。1模型和数值计算方法11物理模型本文对冲角为39。，叶高H290MM的涡轮叶片进行数值模拟。叶栅总共由3个叶片组成。图1为叶片型面孑L排分布示意图，所有气膜孔的尺寸及出射角度等参数列于表1。压力面图1动叶型面气膜孔分布表1叶片型面气膜孔分布参数SC孔中心距前缘驻点与驻点到尾缘弧长之比；LD长径比；OI孔的出气方向与叶片表面的夹角，即侧向倾角；口孔的出气方向与径向的夹角，即展向倾角；SD孔沿叶高方向的间距与孔径之比。12网格划分和边界条件采用连续3个叶栅通道对中间部分叶栅通道采用分区的办法，有气膜孔部分的体采用三棱柱网格，其余部分采用六面体网格，将叶栅通道分成合理的体。3个叶栅通道之间的交界面采用INTERFACE来融合网格。针对型面的不规则性，合理地划分整个计算区域的网格，如图2所示对叶片型面附近进行局部加密，设计出合理的网格。网格总数约为200余万。紊流模型采用REALIZABLEKS模型，通用控制方程离散图2射流孔和叶片网格示意图采用有限体积法，对流项的离散采用二阶迎风格式，压力一速度耦合采用基于协调一致的求解压力耦合方程的半隐方法一SIMPLEC算法。主流、射流采用质量流量入口，出口为压力出口边界，主流温度为473K，射流温度采用293K。流体与壁面只考虑对流换热，压力面和吸力面壁面温度设为300K，其它壁面采用绝热壁面，壁面采用无滑移边界。2结果的分析和讨论本文中所涉及的参数定义如下冷却效率RT一1式中，为主流温度；为绝热壁温度；为射流温度。吹风比MPYPU2式中，、为射流的密度和速度；PU为主流的密度和速度。21不同旋转速度对叶片表面气膜冷却效率的影响前缘复合角度为30。45。，M1在不同转速条件下，气膜冷却对叶片保护是不一样的，叶片气膜冷却分布随着转速的改变而改变。如图3所示，随着叶片转速的增加，叶片表面气膜冷却效率分布越来越不均匀。冷却射流在叶片的吸力面和压力面都明显向叶顶方向偏移且压力面比吸力面上的偏斜效果明显，这是由于叶片高速旋转时，产生的离心力使冷却气流流向叶顶区域，靠近叶顶区域的气膜冷却效率值较高。当高转速时冷却射流贴壁性差并且在压力面底部产生回流涡旋使得孔排七射出的冷却气流严重脱离设计轨迹，从而降低了该区域的冷却效率。由文献11可知这是因为内部流场中离心力、浮升力和哥氏力的作用及其相互作用形成的涡旋。同时高转速使得前缘滞止线偏移到孔排二与孔排三之间，吸力面曲率最大处附近