燃气轮机全气膜非定常冷却特性及泛冷却效应研究

燃气轮机全气膜非定常冷却特性及泛冷却效应研究

0燃气轮机泛冷却的概念为了满足更大的输出和更高的效率要求，电机的初温逐渐增加，增长率超过了耐寒材料的发展速度。因此，冷却所需的空气量也随着着逐步增加的趋势而逐渐增加。现代F级重型燃机的冷却空气量已占到压气机进气量的18%,而初温达1500℃、1600℃的H级、J级全空冷燃机的冷却空气将达到压力机进气量的20%以上,冷却技术的作用日益凸显。燃气轮机泛冷却是指燃气轮机透平冷却气体出流在非设计位置所引起的附加效果。泛冷却的概念源自英文“phantomcooling”,该名词出自Roback等人在1993年发表的关于“hotstreakandphantomcooling”的文章。Roback等人通过实验和模型研究了燃烧室产生的热斑通过静叶后对下游动叶的影响,而通过静叶叶身气膜及尾缘喷射可以削弱热斑对动叶的负面作用,由此提出“phantomcooling”。作者在此基础上总结和延伸,提出了燃气轮机泛冷却概念。第一级透平中主要的泛冷却因素包括燃烧室与静叶间环缝密封出流、安装间隙泄漏对静叶叶身及端壁,动静叶间轮缘密封出流、静叶全气膜及尾缘喷射对动叶及平台等透平冷却气体出流在非设计位置所引起的附加效果,如图1所示。本文是该部分工作的第二部分,采用三维非定常数值计算某重型燃气轮机第一级透平的全气膜冷却特性,关注级环境下动叶表面与动叶平台的气膜冷却特性,以及动静叶间隙轮缘密封出流在下游动叶栅中所形成的泛冷却效应。1计算数值的方法和数值验证1.1算例1:分块结构化六面体网格计算几何模型是某重型燃机第一级原尺寸透平叶栅,为了使得动静叶计算域在周向尺寸上尽可能匹配且控制计算资源需求量,几何模型包括一个静叶和两个动叶及它们相应的冷却结构,如图2所示。本计算采用分块结构化六面体网格,经网格无关解验证后最终采用的网格数约为1700万,计算域网格示意图如图3所示。第一层网格的y+除了气膜孔出口很小区域外,基本都在1以内,满足所采用湍流模型对边界层网格的要求。1.2基本设定计算的边界条件设定采用了该重型燃机的设计工况,其基本设定如表1所示。计算工况如表2所示,Mx是相应部件设计工况下的冷气质量流量,各下标意义可参见本系列文章的partone部分。1.3实验结果与分析由于本研究对象是未公开叶形,目前还没有相应实验数据发表,因而计算验证采用间接验证,即将本计算方法应用于公开叶形C3X的计算,并与实验数据相对比,从而对数值计算进行验证。图4(a)是采用压力敏感漆(PSP)实验技术测量的绝热气膜冷却有效度结果,图4(b)是同工况的计算结果。从图中第一排孔到下游60倍孔径区域内的比较看,该数值计算方法能够很好地捕捉气膜在叶片表面的覆盖,但在定量上由于湍流模型对冷气扩散和掺混预测欠缺,使得计算预测孔出口附近冷却覆盖区较小,而在下游远端(x/D>40)有大量冷气积累,冷却效果畸高。2结果与讨论2.1地主流温度、壁面保证温度和确定绝热气膜冷却效率的原始定义如式(1)其中Tf、Taw和Tc分别是当地主流恢复温度、壁面绝热温度和冷气温度。在这里,主流恢复温度采用静叶无气膜时动叶栅进口平均温度Tb,inlet代替,动叶栅中的气膜冷却效率为其中Tb,aw和Tb,c分别是动叶栅中的绝热壁面温度和冷气温度。2.2动叶表面压力场动叶中截面在不同时刻的压力分布如图5所示,在动叶转过一个静叶栅距的时间周期内,动叶表面压压力呈现出强非定常性,其主要表征了上游静叶尾迹对下游动叶栅压力场的影响。2.3动叶表面气膜冷却分布图6和图7分别是不同时刻和不同工况动叶前缘与压力面的气膜冷却效率分布。除了压力场,上游尾迹亦对动叶表面气膜冷却分布亦具有重要影响。动叶前缘滞止线在上游尾迹影响下左右偏移,使得前缘中间一排气膜孔冷气喷出后随时间左右偏转,如图6所示,从而影响前缘性。此外从图6(c)与图7的对比中可知,静叶全气膜对动叶表面气膜亦有重要影响,其整体降低动叶表面绝热温度并提高其均匀性。2.4轮缘密封出流从图8可以看出,相比于只有动叶叶身全气膜(case3)情况,轮缘密封出流(case4)除了在动叶平-台上形成气膜覆盖外,其在动叶吸力面叶根区形成泛冷却效应,且考虑上游静叶全气膜(case5)时,该区域的泛冷却效用明显加强。2.5泛冷却效应对比图9是动静叶间隙轮缘密封出流在动叶栅中所形成的泛冷却效应和燃烧室与静叶间环缝密封出流在静叶栅中所形成泛冷却效应的对比。由于同时受到轮缘密封出流与静叶气膜射流两大因素的共同作用,动叶栅中泛冷却的作用范围更宽,效率更高,设计工况下局部最大泛冷却效率高达0.2。3气膜冷却特性采用三维非定常数值计算某重型燃气轮机第一级透平的全气膜冷却特性,提出了燃气轮机泛冷却概念并探讨级环境下动叶表面与动叶平台的气膜冷却非定常特性,以及动静叶间隙轮缘密封出流在下游动叶栅中所形成的泛冷却效应。燃气轮机泛冷却是指燃气轮机透平冷却气体出流在非设计位置所引起的附加效果