孔间距对缩放槽缝孔气膜冷却效率的影响

第52卷第3期2010年6月汽轮机技术TURBINETECHN0LOGYVOL_52NO3JUN2010孔间距对缩放槽缝孑L气膜冷却效率的影响戴萍，林枫1青岛科技大学机电工程学院，青岛266042；2哈尔滨工程大学动力与能源学院，哈尔滨150001；3中国船舶重工集团第703研究所燃气轮机研究室，哈尔滨L50036摘要基于有限体积法对三维定常不可压缩NS方程进行离散，采用分区域非结构化网格及两层K湍流模型，在吹风比为04、08和16的情况下，数值研究了孔间距PD30、35、40对缩放槽缝孔气膜冷却效率的影响，对不同孔间距气膜冷却整体效果进行了对比分析。结果表明孔间距较小时，在孔口附近及孔间区域发生强烈的气膜干扰，冷却气膜分布比较集中，在孔口下游近处冷却效率较高；随着孔间距的增大，气膜覆盖面积增加，孔口附近的冷却效率低于小孔距，各个孔沿展向的冷却效率也有所降低，在孔下游远处发生的气膜干涉较为明显；在低吹风比时，孔间距较小气膜孔的冷却效果最好，在高吹风比时，孔间距较大气膜孔对壁面的冷却效果与低吹风比相比有大幅度的改善。关键词涡轮叶片；孑L间距；缩放槽缝孑L；气膜冷却效率；数值模拟分类号V2311文献标识码A文章编号10015884201003019104INFLUENCEOFHOLEPITCHONFILMCOOLINGEFFECTIVENESSFROMCONVERGINGSLOTHOLEDAIPING，LINFENG1COLLEGEOFELECTROMECHANICALENGINEERING，QINGDAOUNIVERSITYOFSCIENCEANDTECHNOLOGY，QINGDAO266061，CHINA；2COLLEGEOFPOWERANDENERGYENGINEERING，HARBINUNIVERSITYOFENGINEERING，HARBIN150001，CHINA；3DEPARTMENTOFGASTURBINE，CHINASHIPBUILDINGINDUSTRYCORPORATION7THINSTITUTE，HARBIN150036，CHINAABSTRACTINFLUENCEOFHOLEPITCHONFILMCOOLINGEFFECTIVENESSFORMCONVERGINGSLOTHOLESATTHEBLADEWEREINVESTIGATEDUSINGATHREEDIMENSIONALFINITEVOLUMEMETHODANDMUHIBLOCKTECHNIQUEATTHEBLOWINGRATIORANGINGFROM04TO16PREVIOUSSUCCESSFULAPPLICATIONOFATWOLAYERTURBULENCEMODELTOCYLINDRICALISEXTENDEDTOPREDICTFILMCOOLINGFORTHECONVERGINGSLOTHOLEGEOMETRYALSO，FLIMCOOLINGPERFORMANCESFROMDIFFERENTHOLEPITCHWEREANALYZEDTHERESULTSSHOWEDTHATINTENSIVEDISTURBANCEWASHAPPENEDATNEARBYINJECTIONOUTLETANDBETWEENTWOHOLESFORSHORTHOLEPITCHITCAUSEDFILMCOOLINGDISTRIBUTEDCONVERGENCE，ANDTHEIMPROVEMENTFORCOOLINGEFFECTIVENESSREALIZEDBYDOWNSTREAMTHEHOLES，BUTFILMCOVERAGEWASPOORTHEBROADCOVERAGEREALIZEDBYTHEINCREASEHOLEPITCH，ANDBUTCOOLINGEFFECTIVENESSWASLOWBYCOMPARISONWITHSHORTPITCHATINJECTIONOUTLETINADDITION，INTENSIVEINTERFERENCEOFFILMWASVERYCLEARATABITFARDOWNSTREAMTHEHOLESFORSHORTHOLEPITCH，THEFILMCOOLINGEFFECTHADBESTATLOWBLOWINGRATIO，ANDTHECOOLINGEFFECTOFLONGHOLEPITCHWASREMARKABLYIMPROVEDATHIGHBLOWINGRATIOCOMPAREDWITHCOOLINGEFFECTATLOWBLOWINGRATIOKEYWORDSTURBINEBLADE；HOLEPITCH；CONVERGINGSLOTHOLE；FILMCOOLINGEFFECTIVENESS；NUMERICALSIMULATION0前言燃气涡轮入口温度的不断提高要求对涡轮叶片进行有效地冷却，气膜冷却是一种广泛采用的有效冷却技术。影响气膜冷却效率的因素很多，其中气膜孔的形状对冷却效率的影响尤为显著，因此，各国学者长期以来一直致力于气膜孔结构优化的研究工作3。SARGISON_4等人最近尝试采用一种新型的缩放槽缝孔来改善气膜孔的结构，以期得到较好的气膜冷却效率和孔口气动性能。文献68对这种气膜孔进行了研究，并与圆柱孔和扩张孔进行了详细的比较分蚯，研究发现缩放檀缝王L使徨冷气流动在气膜孔内得以充收稿日期20100108分发展，流动分离的现象几乎消失，流动较规则，气膜孔结构有利于消除射流在孔入口处形成的分离，使射流更易贴近被冷却壁面，并能有效地抑制反向涡旋对的产生，因此整体气膜冷却保护效果较好。新型缩放槽缝孑L优化了气膜孔的结构，不同程度地提高了气膜冷却效果，有望在今后燃气轮机高温部件的气膜冷却设计中发挥重要的作用。目前，国外关于缩放槽缝孔的研究多集中在喷孔下游流场的流动和传热特性上，且都以实验研究为主，其孔间距对气膜冷却效率的影响未见报道。在国内，据检索的文献来看，只有较少文献9对缩放槽缝孔进行了研究，尚未开展针对缩放槽缝孔本身更深入的研究工作。为此，本文应用两层KS湍流模型，详细研究了气膜孔间距与孔径比PD对冷作者简介戴萍1977一，女，黑龙江大庆人，博士研究生，研究方向燃气轮机热端部件传热与冷却技术。192汽轮机技术第52卷却效率的影响，从而为实际缩放槽缝孔的优化设计提供参考，以期在今后燃气轮机叶片的气膜冷却设计中发挥重要的作用。1数值模拟方法11湍流模型本文采用的两层KS湍流模型U叫是介于壁面函数和低雷诺数模型之间的一种中间模型，它在受黏性力影响的近壁面应用一方程模型，外部核心流应用标准K模型，两层K一湍流模型的优势表现在第一，与单纯低雷诺数方法相比，在黏性边界层处可以用较少的网格点来比较精确地描述复杂的流动，例如它在计算旋转的同性剪切流，包括自由流、回流、分离流以及旋涡流中有较强的优势；第二，对于存在逆压力梯度的边界层及气膜孔孔口附近，两层KS湍流模型较传统的K一8模型有更精确的预测。文献1O应用此湍流模型计算出的圆柱形孔数据与实验吻合良好，充分说明了采用两层KS湍流模型对本文模型进行数值模拟的可行性。具体的两层K湍流模型控制方程请参见文献1O，本文不再描述。12几何模型及网格生成图1为本文所研究的收缩槽缝形孔结构图。孔排由5个孔组成，孔与孔之间的距离PD分别取为30、35和40，孔长与孔径比LD3，孔径DLMM，出口为一狭缝，宽度为03D，孔轴线与流动方向的夹角为35。收缩槽缝形孔在冷气入口处的横截面为圆形，从入口到出口孔壁逐渐扩张，在孔出口处收缩为三维槽缝结构，从图1中可以看到，气膜孔在主视图中呈逐渐收敛状射流流动方向，在俯视图中为扩散状垂直于射流流动方向，由于其孔壁收敛的速度大于扩散，因而导致了孔出口横截面积的减小，并且相邻两气膜孔出口处距离较近。将计算域划分为进气通道、冷气出口和供气腔3部分，03D俯视图图1收缩槽缝孔几何结构图如图2所示，并用分区域非结构化网格划分整个计算域。在近壁面及气膜孔人口、出口附近使用加密网格，总网格数为50万左右。近壁面第一个网格单元中心的近壁距离满足壁面函数律的条件，计算网格如图3所示。图2计算域及边界条件图3计算网格13边界条件及计算工况如图2所示，由供气腔提供的冷气经过气膜孔进入到主流区域，坐标原点位于沿着气膜孔轴线出口与主气流通道壁面的交点处。在坐标原点左侧21D处为主流入口速度边界，在测试面向上11D处为无滑移无渗透边界，在坐标原点下游25D处为压力出口边界，气膜孔中心线为对称边界，气膜孔到气膜孔之间的流通面为周期边界，气膜孔的进出口都为交界面，孔壁为无滑移无渗透的物面边界。供气腔的顶壁与气膜孔进口交界，底面为流量进口边界，供气腔的两侧壁为周期边界，顶壁为无滑移物面。供气腔高度为49MM，长度为99RAM，宽度为27MM，在大气压力为IATM下，主流场温度为339K，速度L，10MS，出口表压力设定为0，冷却流与主流的工作流体温度比调整为059。NT，吹风比定义为M，式中，P和P分别为冷却气P体和主流气体的密度，和分别为冷却气体喷射速度和主流气体的来流速度。这里肘分别取O4、08和16，冷气射N流与主流密度比2，进口紊流度设定为4，冷却流入口P设定为均匀流，紊流强度为2。定义气膜冷却效率叩一71，其中代表壁面，C代表冷气，M代表主流。JC一14数值计算方法本文运用FLUENT数值计算软件，采用有限体积法求解不第3期戴萍等孔间距对缩放槽缝孔气膜冷却效率的影响193可压缩NS雷诺时均紊流方程，湍流模型应用两层K湍流模型，压力一速度耦合采用SIMPLEC算法，所有变量计算均采用QUICK法则。采用分区域非结构化网格技术，利用瞬态插值法避免压力场振荡，应用强隐式法求解代数差分方程。各参数的离散采用二阶精度的迎风格式，亚松弛求解，松弛因子在计算过程中逐步调整，解的收敛标准是相对残差小于110。2结果与分析21孔间距对孔排气膜冷却效率的影响图4给出了吹风比M04时不同孔间距气膜孔的冷却效率分布云图。从图中可以看到，当PD30时，气膜孔之间的距离较小，在孔下游及孔间区域发生强烈的气膜干扰，使得5个孔的作用类似于单个孔的效果，冷却气膜分布比较集中，在孔口下游近处冷却效率较高，但是气膜覆盖的区域较小。PD35时，随着孔间距的增大，气膜覆盖面积有所增加，但是孔口附近的冷却效率低于小孔距，各个孔沿展向的冷却效率也有所降低，在孑L下游远处发生的气膜干涉较为明显。当PD40时，孔间距较大，气膜覆盖面积继续增加，在孔下游发生冷却气膜相互干涉的位置距孔口的距离较PD35模型远，由于缩放槽缝孔出口沿展向向外扩张，因此孔间距的增大并没有像圆柱孔那样导致展向气膜冷却效率的迅速下降14,153，而是在孔间区域XD0位置处存在着高温区，但是随着XD在一定范围内的增大高温区逐渐消失，冷却效率反而有增大的趋势。由此可见，缩放槽缝孔在展向上PD的分布，应该存在一个最佳的间距，使得孔间气膜干涉好，而且沿展向气膜分布均匀。口PD306PD35CPD40图4M04时不同QLIN距的冷却效率分布云图图5给出了在吹风比M为04、08和16时，缩放槽缝孔在孔间距PD30、35和4O的情况下，沿孔排下游冷却效率的变化情况。为使计算具有可比性，除了改变气膜孔的间距外，其它参数均保持不变。从图中可以看出，3个孔间距在图5气膜孔间距对孔排下游平均冷却效率的影响低吹风比M04时，冷却效率的分布规律趋于一致，其数值在孔口处最大，并随着XD的增加而逐渐降低，而PD35和40的气膜孔分别在XD15和XD20的区域，冷却效率有轻微上升的趋势，这主要是由于具有大间距的气膜孔在孔下游远处发生冷却气膜干涉从而引起冷却效率的升高。随着吹风比的增大，3种模型在孔口的冷却效率都随之增大，PD35模型的冷却效率在XD15的区域上升趋势较明显，且在XD21的孔下游远处冷却效率大于小间距气膜孔PD3O，PD40模型在XD20区域冷却效率的上升趋势比低吹风比时稍快。在高吹风比M16时，3个模型冷却效率的分布规律完全不同，但是三者之间冷却效率的差距有所减小。模型PD35的冷却效率随着XD的增加先减小，而在XD15的区域急剧增加，且在XD17的孔下游区域冷却效率大于间距小的气膜孔PD30，而模型PD4OFXD20区域冷却效率的上升趋势较明显，并且越来越接近孔间距小的模型。这主要是由叩雌“叩M们们吓“们们霎藩霎囊L鬓蓉器嚣器一氢黎耋要，194汽轮机技术第52卷于孔间距所造成的，模型PD30的孔间距较小，使孔排的作用类似于一个气膜孔，而随着孔问距的增加，使孔与孔之间的气膜干涉增加，尤其是在孔下游远处的区域。但是孔间距过大，也势必会使得孔间出现气膜脱离现象，导致冷气无法保护壁面而出现高温区，冷却效率随之下降。从3张图的对比可以看出，在低吹风比时，较小孔间距模型的冷却效率明显高于其它2个模型，但是在高吹风比时，情况有所不同，在孔下游远处出现了冷却效果低于较大孔间距模型PD35的现象。这主要是由于在低吹风比下，冷气喷射对主流的冲击力较小，掺混能力弱，当孔间距较小时，使得气膜对壁面的覆盖较为紧密，因而其冷却效率高于孔间距较大时的情况。随着吹风比的增加，冷气喷射对主流的冲击作用增强，掺混能力也随之增强，气膜孔间距对冷却效率的影响增大。对于孑L问距较大的模型，冷却气流喷出气膜孔后，经过一段距离在孔下游汇合，气膜间发生干涉，并且主流也会压着冷气使之贴近壁面，因而冷却效率会有所升高，并且吹风比越大，这种在气膜孔下游远处冷却效率再次升高的趋势越明显。22不同孔间距的孔排冷气射流速度矢量分布图6给出了M16时，在XD1处具有3种不同孔间距的缩放槽缝孔排冷气射流的速度矢量分布。图6。表示PD30的缩放槽缝孔排，在ZD一6、一3、0、3和6位置处各有一个气膜孔，从图中可以看出，当冷气射流从孔间距较小的孔排喷出后，在孑L口附近的壁面上生成了方向相反的漩涡，该漩涡尺寸较小，且离壁面较近，在孑L问区域从2个喷孔喷出的气流向两侧扩展并发生混合，而且孔轴线与流动方向倾斜，导致产生较强的侧向动量和射流的进一步扩展，从而增强了展向的冷却效果。图66表示PD35的缩放槽缝孔排，在ZD一7、一35、0、35和7位置处各有一个气膜孔，从图中可以看出，冷气从孔间距为35的孔排喷出后，在孔口附近壁面上生成的反向涡旋对的尺寸大于图6N中所示的小间距的情形，而由于孔间距的增大，相邻孔间沿展向的气膜干涉作用有所减弱。图6C表示PD40的1L5O一8DPD30图6具有不同孔间距缩放槽缝孔排的速度矢量XDL、MI6缩放槽缝孔排，在ZD一8、一4、O、4和8位置处各有一个气膜孔，从图中可以看出，随着孔间距的进一步增大，在孔口附近壁面上生成的反向涡旋对也随之增大，而相邻孔间沿展向的气膜干涉作用也进一步减弱。总之，在高吹风比的情况下，孑L间距较小的气膜孔排在孔口附近的冷却效果较好。23不同孔间距气膜冷却效果总性能的对比为了全面地考察不同孔间距的气膜冷却效果，本文引入气膜有效覆盖比、平均气膜冷却效率、非均匀系数OR几个参数，其定义如下。1气膜有效覆盖比A，在进行气膜冷却时，常常希望均匀和分布广泛的气膜覆盖在冷却壁面上，因此，有效的气膜覆盖面积成为考察气膜冷却好坏的重要因素。1式中，为有效气膜覆盖面积，A为冷却工质输送通道的横截面积对于缩放槽缝孔来说，为入口横截面积，气膜的有效覆盖是指02的区域。2平均气膜冷却效率田叼J23不均匀系数OR3不均匀系数的引入是用来考察气膜覆盖的均匀性的，从上式可以看出，OR越小表示气膜覆盖越均匀。上述引入的3个参数能够从不同的角度反映气膜冷却的整体效果，即气膜的有效覆盖面积、平均气膜冷却效率以及气膜的均匀性，从而对气膜冷却进行全面的评价。表L给出了具有不同孔间距的缩放槽缝孔在3种吹风比情况下的A，、77和3R的计算值。从表中的数据可以看出，在本文的研究条件下，同一吹风比时，孔间距较小气膜孔的A，值也较小，随着孔间距的增大，A，值也越来越大。对于同一孔间距来说，A，随着吹风比的增大而增大，这说明缩放槽缝孔排在大吹风比情况下的气膜有效覆盖面积较大，这与前面研究所得出的结论是一致的。在低吹风比下，孔间距小的孔排其平均气膜冷却效率明显高于孔间距较大的孔排，随着吹风比的增大，三者的差距逐渐缩小，这主要是由于吹风比较大时，间距大的孔排在孔下游气膜发生干涉，从而导致冷却效率的上升。低吹风比时，3个孔问距的气膜不均匀系数与高吹风比相比都较大，随着吹风比的增大，不均匀系数有所降低，其中间距大的孔排，OR下降的幅度越大，这说明吹风比越大，大间距气膜孔冷气覆盖的均匀性越好。3结论1孑L问距较小时，在孔口附近及孔间区域发生强烈的气膜干扰，冷却气膜分布比较集中，在孔口下游近处冷却效率较高，气膜覆盖的区域较小。下转第214页214汽轮机技术第52卷的振动信号进行分析，获得了故障信号真实的频率成分，从而能够准确地识别故障类型。证明了该方法在实际应用中的有效性。2345参考文献屈梁生，何正嘉机械故障诊断学M上海上海科学技术出版社。1986张贤达，保铮非平稳信号分析与处理M北京国防工业出版社，1998刘立州，李志农，肖尧先，基于分数阶WIGNER分布的机械故障诊断方法研究J噪声与振动控制，2009，14649王胜春，韩捷基于信息融合的时频分析方法及其在故障诊断中的应用研究J机床与液压，2007，352214217来五星，轩建平，史铁林，等WIGNERVILL时频分布研究及其在齿轮故障诊断中的应用J振动工程学报，2003。162247250刘建才，宁新宝，周彬用HOUGH变换消除WIGNER分布的交叉项J南京大学学报，2004，402251256HUANGNE，SHENZ，THEEMPIRICALMODEDECOMPOSITIONANDTHEHILBERTSPECTRUMFORLIONLINEARNONSTATIONARYTIMESERIESANA1YSISAPROCRSOCCLONDON，1998HUANGNE，ANEWVIEWOFNONLINEARWAVESTHEHILBERTSPT2一TNLMJANNUALREVIEWOFFLUIDMECHANICS，1999，315417457向玲，朱永利，唐贵基HHT方法在转子振动故障诊断中的应用J中国电机工程学报，2007，27358489胡爱军HILBERTHUANG变换在旋转机械振动信号分析中的应用研究D博士论文，保定华北电力大学，20082随着孔间距的增大，气膜覆盖面积增加，孔口附近的冷却效率低于小孑L距，各个孔沿展向的冷却效率也有所降低，在孔下游远处发生的气膜干涉较为明显。3在低吹风比时，孔间距较小气膜孔的冷却效果最好，但冷气流的核心区域分布较窄；在高吹风比时，孔间距较小的气膜孔排在孔口附近的冷却效果较好，孔间距较大气膜孔对壁面的冷却效果与低吹风比相比有大幅度的改善，气膜冷却有效覆盖面积明显增加，并且在气膜孔下游远处由于冷却气膜的相互干涉，其冷却效率甚至大于孔间距较小的气膜孔。234参考文献朱惠人，许都纯，刘松龄气膜孔形状对排孔下游冷却效率的影响J航空学报，2002，2317578GRITSCHM，COLBANW，SCHARH，ETA1EFFECTOFHOLEGEOMETRYONTHETHERMALPERFORMANCEOFFANSHAPEDFILMCOOLINGHOLESJASMEJOUMALOFTURBOMAEHINERY，2005，1274718725KIMYJ，KIMSMINFLUENCEOFSHAPEDINJECTIONHOLESONTURBINEBLADELEADINGEDGEFILMCOOLINGJINTERNATIONALJOURNALOFHEATANDMASSTRANSFER，2004，47245256SARGISENJE，GUOSM，OLELDML，ETA1ACONVERGINGSLOTHOLEFILMCOOLINGGEOMETRY，PARTILOWSPEEDFLATPLATEHEATTRANSFERANDLOSSJASMEJOURNALOFTURBOMACHINERY，2002，1244534605SARGISONJE，GUOSM，OLDFIELDML，ETA1ACONVERGINGSLOTHOLEFILMCOOLINGGEOMETRY，PARTIITRANSONICNOZZLEGUIDEWANEHEATTRANSFERANDLOSSJASMEJOURNALOFTURBOMACHINCRY，2002，1244614716戴萍，林枫气膜孔形状对涡轮叶片气膜冷却效果的影响J热能动力工程，2009，2455605657戴萍，林枫新型缩放槽缝孔气膜冷却效率的数值研究J汽轮机技术，200