燃气轮机叶片冷却温度场仿真与分析庄梦晴

1、燃气轮机叶片冷却温度场仿真与分析摘 要：21 世纪之后，随着机械行业发展的突飞猛进，其主要动力源发动机的发展也备受关注。就世 界各国而言，动力装置在农业、航空、国防等众多领域都处于举足轻重的地位。然而，随着地球有 限资源的限制、生态环境的不断恶化，节能减排绿色发展已成为动力装置发展的巨大挑战。迄今为止，随着燃气轮机的迅猛发展及相关领域技术的不断完善，冷却技术已经成为提高动力 效率和降低能耗的最有效经济的途径之一。燃气轮机叶片作为其尤为重要的一个部件，因其工作环 境非常恶劣，任何设计和制造中的缺陷都可能导致工作效率的降低，甚至带来重大的经济损失，其 叶片的性能对整个燃气轮机的性能具有重要影响 2

2、 。在叶片材料上使用新型具有良好抗高温腐蚀， 抗低周热疲劳及抗叶片蠕变的镍基合金材料外， 同时还要在叶片等高温部件上使用先进的冷却技术。 在一些发达国家燃气轮机叶片冷却技术已经得到了突飞猛进的发展并且继续保持强劲的发展势头。气膜冷却技术的发展大概兴起于 70 年代末期， 该技术已经在燃气轮机、 涡轮机等叶片冷却中得 到了广泛的应用。但是，目前我国对叶片温度场的分布特点研究多局限于宏观实验，实验方法虽然 可以得到其大概分布，但其中的微观流态很难得到反映，对冷却技术的改进和发展存在限制。随着机械行业的迅猛发展 ,燃气轮机得到了越来越广泛的应用 ,冷却技术已经成为提高动力效率 的最有效的经济途径之一

3、。因此研究燃气轮机叶片气膜冷却的流动与传热特性对燃气轮机叶片的改 进具有重要的指导意义。本文采用标准 k- 紊流方程，基于 SIMPLE 算法，结合有限体积法对控制 方程进行离散，对常规圆柱形单孔排布结构的叶片在主流速度分别为2m/s、5m/s和10m/s,温度为1300K 的主流环境中叶片的温度分布情况进行了模拟，同时研究了大小射流孔交替排列，对气膜冷 却效率的影响，并与常规圆柱形射流孔排布结构的气膜冷却进行了分析和对比。而且研究了不同冷 气入口速度时叶片的温度分布情况。最后得出本文研究结论，对燃气轮机气膜冷却的改进提出了意 见，以达到提高叶片使用寿命的目的。1 主流速度对气膜冷却影响数值模

4、拟的建模及计算过程1.1 结构参数设置名称数值叶片高度20mm冷气孔半径6mm射流孔半径1.5mm各排射流孔个数4射流孔间距4.5mm叶片前缘射流孔角度90叶片压力面射流孔角度60叶片吸力面射流孔角度151.2模拟结果与分析(1)首先观察比较当主流速度分别为 2m/s、5m/s和10m/s时，叶片压力面温度场分 别如图1.1、图1.2和图1.2所示。比较三个不同主流速度下叶片压力面温度场，可以发现：当主流速度为2m/s时,整个叶片压力面的温度最低。但随着无量纲距离x/d的增加，叶片温度越高，最高温度出现在叶片尾端。同样，当主流速度分别为5m/s和10m/s时，叶片压力面的温度分布情况与上述情况

5、相同，温度最高的部分都是出现在叶片的尾部。但纵向比较三个叶片， 可以发现，主流速度越大，叶片压力面的整体温度越高。说明：由于主流的存在，会影 响叶片表面的气膜覆盖情况，会使射流偏离叶片表面，主流速度越大，对射流的影响也 就越大，所以会出现主流速度越大叶片压力面温度越高的。1I7Z图1.1主流速度为2m/s时叶片压力面温度场图1.2主流速度为5m/s时叶片压力面温度场11I 1BSl.1:S LCntou-s 0 空aM Tsroen：-： kPU司 3s SfiuRJtKTJ(M|m.SV)图1.3主流速度为10m/s时叶片压力面温度场观察比较当主流速度分别为 2m/s、5m/s和10m/s时

6、，叶片吸力面的温度场。分别用下图的图1.4、1.5和1.6所示盲血*TgSuy7C：e*C. bMe心E 口 h二44Cte-： iE*-arI5C l图2.5主速度为2m/s时叶片吸力面温度分布Ii_sTJfe-ftSr *-6CTe*C：7 JZ.-iCZS C4-KK*- - S57*-C7S CCa-CZ、q 33 20142CATCIJI宴，W图2.6主流速度为5m.s时吸力面温度分布FUEKTCJiae fin *、图2.7主流速度为10m/s时叶片吸力面温度分布Canflasrc. & s3Ec Tanx.aj fkg 33 334FLJEkTf (fc pn.w：i.i-at-

7、cj1 ；1 CEe-KS5 Me -g1T-Kt-gjCOe*CC6 0&e-Ci4-C5e-iC：图2.9主流速度为5m/s时叶片前缘温度分布IL a;-30 筈u鴨虑KT$肌庶 m W)图2.10主流速度为10 m/s时叶片前缘温度分布(3)观察比较当主流速度分别为2m/s、5m/s和10m/s时，叶片前缘的温度场。分别 用上图的图2.8、2.9和2.10所示。观察三种情况下的温度分布图，可以发现，相同主流速度时，大小孔径射流孔交替排布的气膜冷却效率比相同孔径的射流孔排布情况的冷却效率高3冷气流的入口速度对气膜冷气效率的影响3.1结构参数设置本章模拟所用模型即第三章中所用的模型，不同的是

8、,本章将研究当冷气流入口速00 度不同时，对燃气轮机叶片冷却效率的影响。主流流体依旧选择温度为1300K，速度为4m/s的空气，而冷气流选用温度为300K的空气，但是模拟时入口速度分别设定为1m/s、 2m/s和4m/s，设定方法不在此一一赘述。观察不同冷气流入口速度对叶片压力面、叶 片吸力面和叶片前缘的温度分布的影响。3.2模拟结果与分析(1)首先观察比较当冷气流入口速度分别为1m/s、2m/s和5m/s时，叶片压力面温度场分别如图3.1、图3.2和图3.3所示。2 :6 met-:sr* b Gt!冶 ELi r s 忙hpy 石 1.MUR-WEMTf (M |W%4-4- ZCie-C

9、：；图3.1冷气流入口速度为1m/s时叶片压力面温度场图3.2冷气流入口速度为 2m/s时叶片压力面温度场PLJEhT6 J(3C pn.W图3.3冷气流入口速度为 4m/s时叶片压力面温度场比较当冷气流入口速度不同时叶片压力面温度场分布情况，可以发现：当冷气流入口速度越大时，叶片压力面的温度越低。而且当冷气流入口速度为1m/s和2m/s时叶片压力面的冷却效率随着无量纲距离x/d的增加很快降低，而当冷气流入口速度为4m/s时叶片整体温度较低。这是因为冷气流入口速度越大，在叶片表面形成的冷气膜更替越 快，这样就会不断有新的冷空气气膜覆盖在原来的气膜之上，所以叶片压力面的温度会 比较低。(2)观察

10、比较当冷气流入口速度分别为 1m/s、2m/s和4m/s时，叶片吸力面的温度分 布情况，分别用下图的图3.4、3.5和3.6所示。T込亠出7CC4-Ci2号 5C5P；1 soeh-p;II 3i&JoKCo-fix-rs SSCk: *eTDerijr= k：7 Ke-nlZi*S畸削2&UFlwEhiT o J图3.4冷气流入口速度为1m/s时叶片吸力面温度场CrflCLr cfT !jtikSl-b rk曲古.曲1*=lJETfiV(V E s，ywe-图3.5冷气流入口速度为 2m/s时叶片吸力面温度场三三壬三二三三图3.6冷气流入口速度为 4m/s时叶片吸力面温度场比较当冷气流入口速

11、度不同时，叶片吸力面温度场的分布情况，可以发现：当主流 速度相同时，冷气流入口速度越大，叶片吸力面的温度越低。原因和上述原因一样。(3)观察比较当冷气流入口速度分别为 1m/s、2m/s和4m/s时，叶片吸力面的温度分 布情况，分别用下图的图3.7、3.8和3.9所示。图3.7冷气流入口速度为1m/s时叶片前缘温度场图3.8冷气流入口速度为 2m/s时叶片前缘温度场比较当主流速度相同，冷气流入口速度不同时，叶片前缘温度场分布情况可以发现 叶片前缘温度的分布情况和叶片压力面、叶片吸力面的温度分布情况相同，都是冷气流 入口速度越大叶片前缘温度越低。由于射流孔角度和叶片结构的问题，叶片前缘会有一部分

12、不能被气膜覆盖，达不到冷却的效果，所以温度较高结论本文以燃气轮机叶片气膜冷却为工程背景，采用了 FLUENT 数值模拟的方法研究 了单个叶片在三种不同情况下的叶片温度分布情况。可以得出以下结论：(1)因本文所建立模型中射流孔并没有覆盖整个叶片， 所以通过观察整个叶片的温度 分布情况，可以发现：气膜冷却可以很有效的降低叶片温度。(2)当孔排相同时，在主流速度分别为 2m/s、5m/s 和 10m/s 时，冷却效率与主流速 度成反比例关系，即主流速度越大，对射流速度的扰动越大，所以冷却效率越低。(3) 相同情况下， 大小射流孔交替排布时的冷却效率比相同孔径的射流孔排布时， 气 膜冷却效率要高。(4) 大小射流孔交替排布时，依然遵循射流速度越小，冷却效率越高的原则。(5) 在本文模拟范围内，可以发现：当主流速度保持相同时，冷气射流速度越大时，