氣膜孔分布對凹槽葉頂傳熱和冷卻性能的影響

黃琰,晏鑫,何坤,李軍

(西安交通大學(xué)能源與動力工程學(xué)院,710049,西安)

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氣膜孔分布對凹槽葉頂傳熱和冷卻性能的影響

黃琰,晏鑫,何坤,李軍

(西安交通大學(xué)能源與動力工程學(xué)院,710049,西安)

采用數(shù)值求解RANS方程的方法研究了典型燃?xì)馔钙絼尤~凹槽葉頂?shù)膫鳠岷蜌饽だ鋮s性能,通過計(jì)算獲得了3種葉頂間隙(1.31 mm、1.97 mm和3.29 mm)、2種吹風(fēng)比(1和2)、2種氣膜孔分布(中弧線位置單排孔、中弧線+近壓力面位置兩排孔)條件下葉頂傳熱系數(shù)和氣膜冷卻有效度分布,并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對比。結(jié)果表明:對于中弧線位置的單排氣膜孔,冷卻流可以對凹槽底部近壓力面?zhèn)刃纬捎行У睦鋮s;隨著吹風(fēng)比的增大,凹槽底部靠近前緣吸力面?zhèn)鹊母邆鳠嵯禂?shù)區(qū)域減小,凹槽底部壓力面?zhèn)鹊膫鳠嵯禂?shù)減小且氣膜冷卻有效度顯著增大;隨著葉頂間隙的增大,凹槽底部前緣吸力面?zhèn)鹊母邆鳠嵯禂?shù)區(qū)向壓力面?zhèn)葦U(kuò)大,凹槽底部平均傳熱系數(shù)明顯增大,凹槽底部近壓力面?zhèn)群臀簿壧幍臍饽だ鋮s有效度減小。對于中弧線+近壓力面兩排氣膜孔,近壓力面氣膜孔內(nèi)的冷卻流覆蓋了凹槽肩壁和葉頂尾緣區(qū)域,且強(qiáng)化了凹槽底部靠近壓力面?zhèn)鹊睦鋮s性能;隨著吹風(fēng)比的增大,凹槽底部近壓力面?zhèn)?、肩壁和葉頂尾緣區(qū)域的傳熱系數(shù)明顯減小,氣膜冷卻有效度明顯增大;隨著葉頂間隙的增大,凹槽底部吸力面?zhèn)雀邆鳠嵯禂?shù)區(qū)域向壓力面?zhèn)葦U(kuò)大,凹槽底部近壓力面?zhèn)取⒓绫诤腿~頂尾緣區(qū)域的傳熱系數(shù)顯著增大,氣膜冷卻有效度減小。

燃?xì)馔钙?凹槽葉頂;葉頂傳熱;氣膜冷卻

燃?xì)馔钙降谝患墑尤~工作在高溫、高壓、高轉(zhuǎn)速的環(huán)境中,葉頂區(qū)域承受著較高的熱負(fù)荷和熱應(yīng)力。葉頂間隙內(nèi)流場結(jié)構(gòu)復(fù)雜,所以葉頂區(qū)域的流動、傳熱和冷卻性能一直是制約葉片氣動性能、影響安全運(yùn)行的關(guān)鍵因素。

目前,對燃?xì)馔钙饺~頂傳熱、冷卻性能的研究主要有實(shí)驗(yàn)測量和數(shù)值模擬2種方式。Kwak等采用液晶測溫技術(shù)測量了GE-E3渦輪第一級動葉(平頂和凹槽狀葉頂2種結(jié)構(gòu))在不同葉頂間隙下葉頂表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)分布,研究了凹槽狀葉頂在2種冷卻孔分布(凹槽中弧線單排孔、凹槽中弧線+近壓力面雙排孔)、3種葉頂間隙c(1.31 mm、1.97 mm、3.29 mm)、2種吹風(fēng)比M(1、2)條件下的葉頂表面?zhèn)鳠岷屠鋮s特性分布[1-3]。Yang等采用商用計(jì)算流體動力學(xué)(CFD)軟件計(jì)算了氣膜孔分布對平頂和凹槽狀頂部傳熱和冷卻特性的影響[4]。李軍等采用商用CFD軟件數(shù)值研究了燃?xì)馔钙郊壴趧屿o干涉、定常和非定常條件下的動葉凹槽狀頂部氣膜冷卻性能[5]。Wang等采用商用FLUENT軟件研究了6種間壁寬度下的流動和傳熱特性[6]。Bunker等采用實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法研究了3種葉頂結(jié)構(gòu)下的葉頂流動、傳熱特性[7]。

本文在Kwak等實(shí)驗(yàn)研究[3]的基礎(chǔ)上,應(yīng)用商用ANSYS CFX11.0軟件數(shù)值研究了氣膜孔分布對葉頂表面?zhèn)鳠岷屠鋮s性能的影響。

1 數(shù)值計(jì)算方法

計(jì)算葉型來源于GE-E3渦輪第一級動葉葉頂截面型線,型線的幾何數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)[1]一致。

采用ANSYS-11.0軟件求解定常雷諾時均N-S方程來考核k-ω、k-ε和SST 3種湍流模型對計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確性的影響,數(shù)值計(jì)算條件與實(shí)驗(yàn)[1]一致。圖1給出了3種湍流模型的計(jì)算結(jié)果。可以發(fā)現(xiàn),利用k-ω湍流模型計(jì)算得到的葉頂傳熱系數(shù)分布與實(shí)驗(yàn)結(jié)果最為吻合。

傳熱系數(shù)定義為

(1)

式中:q為壁面熱通量;Tw為葉片壁面溫度;T∞為主流進(jìn)口溫度。

圖1 3種湍流模型得到的葉頂傳熱系數(shù)分布

網(wǎng)格數(shù)hL相對誤差/%80萬920.2091.75113萬926.7081.05147萬932.2320.45237萬933.2680.36Richardson外推值[8]936.623

選用147萬網(wǎng)格、采用k-ω湍流模型分析了近壁面第一層網(wǎng)格距離對數(shù)值計(jì)算精度的影響。表2給出了在不同近壁面第一層網(wǎng)格距離下葉頂表面的平均傳熱系數(shù)。計(jì)算表明,當(dāng)y+<1時,可以獲得網(wǎng)格無關(guān)解。因此,在后面的計(jì)算中,近壁面第一層網(wǎng)格距離設(shè)置為0.001 mm。

表2 不同近壁面網(wǎng)格距離下葉頂表面的平均傳熱系數(shù)

由于凹槽葉頂?shù)娜~片型線與平頂葉柵型線完全相同,邊界條件一致,因此在平頂葉柵網(wǎng)格無關(guān)性和湍流模型考核的基礎(chǔ)上對凹槽頂部區(qū)域和氣膜孔區(qū)域網(wǎng)格進(jìn)行了加密,最終確定帶中弧線單排氣膜冷卻孔結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格數(shù)為740萬,帶中弧線+壓力面?zhèn)入p排氣膜冷卻孔結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格數(shù)為760萬,如圖2和圖3所示。

(a)葉柵整體 (b)葉頂氣膜孔

(c)葉片前緣 (d)葉片尾緣圖2 凹槽中弧線氣膜孔下葉頂網(wǎng)格示意圖

(a)葉柵整體

(b)壓力面孔 (c)葉片前緣 (d)葉片尾緣 圖3 凹槽中弧線+近壓力面氣膜孔下葉頂網(wǎng)格示意圖

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1 單排冷卻孔分布時葉頂傳熱及冷卻特性

葉片模型的幾何數(shù)據(jù)及數(shù)值計(jì)算的邊界條件與實(shí)驗(yàn)[3]相同,邊界條件如表3所示。

表3 計(jì)算邊界條件[3]

吹風(fēng)比定義為

(2)

式中:ρc和ρm分別為冷卻流和主流的密度;Vc和Vm分別為冷卻流和主流的流速。

2.1.1 吹風(fēng)比對葉頂傳熱及冷卻特性的影響 圖4給出了c=1.97 mm時2種吹風(fēng)比下冷卻流的三維流線?？梢钥闯?冷卻流從冷卻孔射出后向凹槽壓力面?zhèn)绕D(zhuǎn),然后在壓力面?zhèn)群臀γ鎮(zhèn)葔翰畹尿?qū)動下向吸力面?zhèn)攘鲃?最終掠過吸力側(cè)肩壁流出葉頂區(qū)域。

(a)M=1 (b)M=2 圖4 2種吹風(fēng)比下冷卻流的三維流線

圖5給出了c=1.97 mm時2種吹風(fēng)比下25%、50%、75%軸向弦長截面上的流線?？梢钥闯?2種吹風(fēng)比下,受冷卻氣流向壓力面偏轉(zhuǎn)效應(yīng)的影響,冷卻氣流不能對凹槽底部近吸力面區(qū)域形成有效覆蓋;相對于M=1工況,M=2時大量的冷卻流集中在槽底近壓力面區(qū)域,可在壓力側(cè)區(qū)域形成更好的冷卻效果。

20%軸向弦長 50%軸向弦長 75%軸向弦長圖5 3種軸向弦長截面上的流線

圖6給出了c=1.97 mm時2種吹風(fēng)比下葉頂傳熱系數(shù)分布。與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比,數(shù)值計(jì)算的結(jié)果可以較好地反映葉頂傳熱系數(shù)分布規(guī)律。對比M=1和M=2的計(jì)算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),隨著吹風(fēng)比的增大,凹槽底部的傳熱系數(shù)降低,凹槽底部前緣吸力面?zhèn)鹊母邆鳠嵯禂?shù)區(qū)域縮小(圖6A處),整體傳熱系數(shù)減小。結(jié)合圖5可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)M增大為2時,氣流主要滯留于凹槽底部壓力面?zhèn)葏^(qū)域,冷卻氣流流速減小,傳熱系數(shù)減小,但氣膜冷卻有效度增大。

氣膜冷卻有效度定義為

(3)

式中:Taw、Tm和Tc分別為絕熱壁面溫度、主流溫度和冷卻流溫度。

(a)計(jì)算結(jié)果 (b)實(shí)驗(yàn)結(jié)果[3]圖6 2種吹風(fēng)比下葉頂傳熱系數(shù)分布

圖7給出了c=1.97 mm時2種吹風(fēng)比下葉頂氣膜冷卻有效度分布?？梢钥闯?數(shù)值計(jì)算的結(jié)果能較好地反映葉頂氣膜冷卻有效度分布規(guī)律。凹槽底部壓力面?zhèn)?、尾緣和吸力面?zhèn)燃绫谖膊康臍饽だ鋮s有效度較大,隨著吹風(fēng)比的增大,凹槽底部壓力面?zhèn)?圖7A處)的氣膜冷卻有效度增大。結(jié)合圖5可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)M從1變?yōu)?時,冷卻流騰起現(xiàn)象減弱,冷卻氣流主要滯留于凹槽底部壓力面?zhèn)葏^(qū)域,且對該區(qū)域形成有效冷卻,故氣膜冷卻有效度增大。

(a)計(jì)算結(jié)果 (b)實(shí)驗(yàn)結(jié)果[3]圖7 2種吹風(fēng)比時葉頂氣膜冷卻有效度分布

2.1.2 葉頂間隙對葉頂傳熱及冷卻特性的影響 圖8給出了M=1時3種葉頂間隙下冷卻流三維流線?？梢钥闯?隨著葉頂間隙的增大,冷卻流向凹槽底部壓力面?zhèn)鹊钠D(zhuǎn)程度增強(qiáng),偏轉(zhuǎn)位置向尾緣偏移(圖8A處)。葉頂間隙增大,泄漏流的流量和流速增大,泄漏流在凹槽內(nèi)部的回流強(qiáng)化,回流核心向壓力面?zhèn)绕?且掠過吸力面?zhèn)燃绫谖恢煤笠芠8],帶動冷卻流向凹槽壓力面?zhèn)鹊钠D(zhuǎn)程度增強(qiáng)。

(a)c=1.31 mm (b)c=1.97 mm (c)c=3.29 mm圖8 3種葉頂間隙時冷卻流的三維流線

圖9給出了M=1時3種葉頂間隙下葉頂傳熱系數(shù)分布。可以看出,數(shù)值計(jì)算結(jié)果可以反映傳熱系數(shù)的分布趨勢。隨著葉頂間隙的增大,凹槽底部前緣吸力面?zhèn)雀邆鳠嵯禂?shù)區(qū)域向壓力面?zhèn)葦U(kuò)大(圖9A處),凹槽底部壓力面?zhèn)群臀簿墔^(qū)域傳熱系數(shù)增大(圖9B處)。這是因?yàn)殡S著葉頂間隙的增大,冷卻流偏轉(zhuǎn)位置向尾緣偏移,但對凹槽底部前緣冷卻效果減弱,泄漏流在凹槽內(nèi)的渦流核心向壓力面?zhèn)纫苿?引起凹槽前緣吸力面?zhèn)雀邆鳠嵯禂?shù)區(qū)域向壓力面?zhèn)葦U(kuò)大;泄漏流流量和流速增大,對冷卻流的稀釋作用增大,凹槽底部壓力面?zhèn)群臀簿壍睦鋮s效果減弱,故傳熱系數(shù)增大。

(a)c=1.31 mm (b)c=1.97 mm (c)c=3.29 mm圖9 3種葉頂間隙下葉頂傳熱系數(shù)分布

圖10給出了M=1時2種葉頂間隙下葉頂表面氣膜冷卻有效度分布。對比實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知,氣膜冷卻有效度分布趨勢的計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本吻合。比較計(jì)算結(jié)果可知,隨著葉頂間隙的增大,凹槽底部壓力面?zhèn)惹熬?圖10A處)冷卻度顯著減小,凹槽底部壓力面?zhèn)群臀γ鎮(zhèn)燃绫谖簿壍睦鋮s效果減弱(圖10B處)。這是因?yàn)殡S著葉頂間隙的增大,冷卻流偏轉(zhuǎn)位置向尾緣移動,凹槽底部壓力面?zhèn)惹熬壍臍饽だ鋮s有效度減小。泄漏流對冷卻流的稀釋作用增強(qiáng),整體冷卻效果減弱。

(a)c=1.31 mm (b)c=1.97 mm (c)c=3.29 mm圖10 3種葉頂間隙下葉頂氣膜冷卻有效度分布

2.2 雙排冷卻孔分布的葉頂傳熱及冷卻特性

在僅有凹槽中弧線冷卻流的基礎(chǔ)上,改變?nèi)~片冷卻結(jié)構(gòu),加入近壓力面?zhèn)壤鋮s孔后,進(jìn)行葉頂傳熱和冷卻的數(shù)值計(jì)算。

2.2.1 吹風(fēng)比對葉頂傳熱及冷卻特性的影響 圖11給出了c=1.97 mm時2種吹風(fēng)比下近壓力面?zhèn)壤鋮s流的三維流線。近壓力面冷卻流射出后先向上掠過壓力面?zhèn)燃绫谶M(jìn)入葉頂間隙,在凹槽內(nèi)部形成回流,然后掠過吸力面?zhèn)燃绫诹鞒鋈~頂間隙,在葉片吸力面?zhèn)刃纬蓽u流?？梢园l(fā)現(xiàn),隨著吹風(fēng)比的增大,冷卻流在凹槽內(nèi)部的回流現(xiàn)象減弱(圖11B處),且掠過吸力面?zhèn)燃绫鄣奈恢孟蛉~片前緣移動(圖11A處)。冷卻流覆蓋位置的變化會影響氣膜冷卻作用的區(qū)域。

(a)M=1 (b)M=2 圖11 2種吹風(fēng)比下近壓力面?zhèn)壤鋮s流三維流線

Kwak等的研究揭示了雙排冷卻流作用下的流場結(jié)構(gòu)[3]。近壓力面冷卻流射出后向上流動,流過壓力面?zhèn)燃绫谂c泄漏流混合形成混合流(泄漏流+近壓力面?zhèn)壤鋮s流)后進(jìn)入葉頂間隙。在葉頂間隙內(nèi)部,混合流帶動中弧線冷卻流向凹槽壓力面?zhèn)绕D(zhuǎn),覆蓋凹槽壓力面?zhèn)缺砻?并形成3種流體混合流(泄漏流+近壓力面?zhèn)然旌狭?中弧線冷卻流),最后掠過吸力面?zhèn)燃绫诹鞒鋈~頂間隙。葉頂流場結(jié)構(gòu)機(jī)理如圖12所示,該圖表明,冷卻流的流動是在泄漏流帶動下產(chǎn)生的,與泄漏流具有相似的流場。

(a)凹槽前緣 (b)凹槽尾緣圖12 葉頂流場結(jié)構(gòu)機(jī)理圖

圖13給出了c=1.97 mm時2種吹風(fēng)比下葉頂傳熱系數(shù)分布。與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的相比,計(jì)算結(jié)果較好地反映了葉頂傳熱系數(shù)分布趨勢。隨著吹風(fēng)比的增大,壓力面?zhèn)燃绫?圖13A處)和葉片尾緣(圖13B處)的傳熱系數(shù)顯著減小。這是因?yàn)殡S著吹風(fēng)比的增大,冷卻流質(zhì)量流量增大,近壓力面?zhèn)壤鋮s流對壓力面?zhèn)燃绫?、葉頂尾緣的冷卻效果加強(qiáng)。

(a)計(jì)算結(jié)果 (b)實(shí)驗(yàn)結(jié)果[3]圖13 2種吹風(fēng)比下葉頂傳熱系數(shù)分布

圖14給出了c=1.97 mm時2種吹風(fēng)比下葉頂氣膜冷卻有效度分布?？梢钥闯?計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果在氣膜冷卻有效度分布趨勢上基本吻合。隨著吹風(fēng)比的增大,凹槽底部壓力面?zhèn)?圖14A處)、肩壁(圖14C處)和尾緣區(qū)域(圖14B處)有效度增大,吸力面?zhèn)燃绫诘母哂行Ф葏^(qū)域向葉片前緣移動。造成該現(xiàn)象是因?yàn)?隨著吹風(fēng)比的增大,冷卻流質(zhì)量流量增大,冷卻流覆蓋區(qū)域的冷卻效果被強(qiáng)化,由此造成A、B、C區(qū)域的氣膜冷卻有效度顯著增大。近壓力面?zhèn)壤鋮s流掠過吸力面?zhèn)燃绫诘奈恢秒S著吹風(fēng)比的增大向葉片前緣偏移,因此吸力面?zhèn)燃绫诘睦鋮s區(qū)域向前緣移動。

(a)計(jì)算結(jié)果 (b)實(shí)驗(yàn)結(jié)果[3]圖14 2種吹風(fēng)比葉下頂氣膜冷卻有效度分布

(a)c=1.31 mm (b)c=1.97 mm (c)c=3.29 mm圖15 3種葉頂間隙下近壓力面冷卻流三維流線

2.2.2 葉頂間隙對葉頂傳熱及冷卻特性的影響 圖15給出了M=1時3種葉頂間隙下近壓力面?zhèn)壤鋮s流的三維流線。可以看出,隨著葉頂間隙的增大,壓力面?zhèn)壤鋮s流在凹槽形成回流的位置向壓力面?zhèn)纫苿?圖15A處),掠過吸力面?zhèn)燃绫诤笙蛉~片尾緣移動(圖15B處),回流及其掠過吸力面?zhèn)燃绫谖恢玫母淖儠绊懤鋮s流的覆蓋位置和冷卻效果。

圖16給出了M=1時3種葉頂間隙下葉頂傳熱系數(shù)分布?？梢钥闯?計(jì)算結(jié)果可以較好地反映葉頂表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)分布。隨著葉頂間隙的增大,凹槽底部前緣吸力面?zhèn)鹊母邆鳠嵯禂?shù)區(qū)域向壓力面?zhèn)葦U(kuò)大(圖16A處),葉頂尾緣(圖16B處)和肩壁的傳熱系數(shù)顯著升高。這是因?yàn)殡S著葉頂間隙的增大,回流核心向壓力面?zhèn)绕芠8],使得A處區(qū)域向壓力面?zhèn)葦U(kuò)大。泄漏流流速、流量均增大,葉頂區(qū)域傳熱得到了強(qiáng)化,同時泄漏流對冷卻流的稀釋作用增強(qiáng),冷卻效果減弱,所以整體傳熱系數(shù)增大。

(a)c=1.31 mm (b)c=1.97 mm (c)c=3.29 mm圖16 3種葉頂間隙下葉頂傳熱系數(shù)分布

圖17給出了M=1時3種葉頂間隙下葉頂氣膜冷卻有效度分布特性?？梢钥闯?實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值計(jì)算結(jié)果在分布趨勢上基本吻合。隨著葉頂間隙的增大,凹槽底部高氣膜冷卻有效度區(qū)域和有效度數(shù)值均減小(圖17A處),肩壁的冷卻區(qū)域向葉片尾緣移動(圖17B處),葉頂尾緣氣膜冷卻有效度減小(圖17C處)。這是因?yàn)殡S著葉頂間隙的增大,泄漏流對冷卻流的稀釋作用增強(qiáng),凹槽底部、葉頂尾緣的氣膜冷卻有效度減小,冷卻效果變差。冷卻流在吸力面?zhèn)燃绫诘母采w區(qū)域向葉片尾緣移動,引起B(yǎng)處冷卻區(qū)域縮小。

(a)c=1.31 mm (b)c=1.97 mm (c)c=3.29 mm圖17 3種葉頂間隙下葉頂氣膜冷卻有效度分布

2.3 不同氣膜孔分布對葉頂傳熱和冷卻的影響

(a)計(jì)算結(jié)果 (b)實(shí)驗(yàn)結(jié)果[3]圖18 不同氣膜孔分布下傳熱系數(shù)變化

圖18給出了c=1.97 mm時2種氣膜孔分布下傳熱系數(shù)變化?？梢钥闯?和凹槽中弧線單排氣膜孔相比,中弧線+近壓力面雙排孔在傳熱系數(shù)分布上呈現(xiàn)出以下特征:①肩壁、尾緣區(qū)域傳熱系數(shù)明顯減小;②凹槽底部前緣吸力面?zhèn)鹊母邆鳠嵯禂?shù)區(qū)域向壓力面?zhèn)葦U(kuò)大;③凹槽底部壓力面?zhèn)鹊膫鳠嵯禂?shù)減小。這是因?yàn)?近壓力面?zhèn)壤鋮s流覆蓋了肩壁和葉片尾緣區(qū)域,形成了良好的冷卻效果,由此傳熱系數(shù)減小;未引入近壓力面?zhèn)壤鋮s流時,僅有泄漏流通過壓力面?zhèn)燃绫谶M(jìn)入葉頂間隙,近壓力面?zhèn)壤鋮s流加入后,泄漏流、近壓力面?zhèn)壤鋮s流均進(jìn)入葉頂間隙,通過葉頂間隙的流量增大,凹槽內(nèi)回流強(qiáng)度增大,回流核心向壓力面?zhèn)纫苿?凹槽底部的高傳熱系數(shù)區(qū)域向壓力面?zhèn)葦U(kuò)大。通過葉頂間隙的流量增大,帶動了中弧線冷卻流的冷卻作用,強(qiáng)化了對凹槽底部壓力面?zhèn)鹊睦鋮s效果。

圖19給出了c=1.97 mm時2種氣膜孔分布下氣膜冷卻有效度變化。可以看出,相比凹槽中弧線單排氣膜孔,中弧線+近壓力面雙排氣膜孔在氣膜冷卻有效度分布上呈現(xiàn)以下不同的特性:①肩壁和葉頂尾緣冷卻效果顯著;②凹槽底部壓力面?zhèn)雀邭饽だ鋮s有效度區(qū)域和有效度增大。這是因?yàn)榻鼔毫γ鎮(zhèn)壤鋮s流的加入覆蓋了肩壁和葉頂尾緣區(qū)域,形成良好冷卻,加之通過葉頂間隙的流量增大,增強(qiáng)了中弧線冷卻孔的冷卻作用,由此凹槽壓力面?zhèn)鹊睦鋮s性能被強(qiáng)化,氣膜冷卻有效度增大。

(a)計(jì)算結(jié)果 (b)實(shí)驗(yàn)結(jié)果[3]圖19 不同氣膜孔分布下氣膜冷卻有效度變化

3 結(jié) 論

本文采用數(shù)值方法研究了中弧線位置單排冷卻孔和中弧線+近壓力面雙排冷卻孔下GE-E3渦輪動葉葉頂區(qū)域的流動傳熱和氣膜冷卻特性,得到結(jié)論如下。

(1)對于凹槽中弧線單排孔,冷卻流冷卻了凹槽底部壓力面?zhèn)葏^(qū)域。隨著吹風(fēng)比的增大,凹槽底部壓力面?zhèn)鹊膫鳠嵯禂?shù)減小,氣膜冷卻有效度增大;隨著葉頂間隙的增大,凹槽底部壓力面?zhèn)群臀簿壍膫鳠嵯禂?shù)明顯增大,氣膜冷卻有效度減小。

(2)對于凹槽中弧線+近壓力面雙排孔,冷卻流覆蓋了凹槽底部壓力面?zhèn)?、兩?cè)肩壁和葉頂尾緣區(qū)域。隨著吹風(fēng)比的增大,凹槽底部壓力面?zhèn)取⒓绫诤腿~頂尾緣的傳熱系數(shù)減小,氣膜冷卻有效度增大;隨著葉頂間隙的增大,凹槽壓力面?zhèn)?、兩?cè)肩壁和葉片尾緣區(qū)的傳熱系數(shù)增大,氣膜冷卻有效度減小。

(3)2種氣膜孔分布下冷卻效果存在較大差異。近壓力面冷卻流較好地覆蓋了凹槽兩側(cè)肩壁和葉片尾緣區(qū)域,強(qiáng)化了凹槽底部壓力面?zhèn)鹊睦鋮s效果。

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(編輯 苗凌)

Effect of Cooling-Hole Distributions on Heat Transfer and Cooling Effectiveness on Turbine Blade Tip

HUANG Yan,YAN Xin,HE Kun,LI Jun

(School of Energy and Power Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China)

Heat transfer and film cooling performance on the rotor blade tip were investigated by solving the Reynolds averaged Navier-Stokes (RANS) equations. At three different tip clearances (1.31 mm, 1.97 mm and 3.29 mm), two kinds of cooling-hole distributions (single-hole array located at the camber line and two-hole array located at the camber line and near pressure side) and two blowing ratios (1 and 2), heat transfer coefficient and film cooling effectiveness were numerically evaluated and compared with the existing experimental data. The results show that for the cooling-hole array located at the camber line, coolant injection can effectively cool the pressure side of the squealer tip region. Moreover, as the blowing ratio increases, the high heat transfer coefficient area on the squealer tip shrinks near the leading edge suction side, and a lower heat transfer coefficient near the pressure side of the squealer tip can be achieved as well. However, the film cooling effectiveness near the pressure side of the squealer tip increases significantly. As the tip clearance increases, the high heat transfer coefficient area extends from the suction side to the pressure side near the leading edge, and the averaged heat transfer coefficients on the squealer tip increase as well. However, the film cooling effectiveness near the pressure side and trailing edge decreases. For the case with two cooling-holes array, coolant injection from the pressure side can effectively cover the squealer rim and blade trailing edge, and enhance the cooling effectiveness near the pressure side of the squealer tip. As the blowing ratio increases, heat transfer coefficients near the pressure side and on the squealer rim and blade trailing edge decrease obviously while the film cooling effectiveness at these regions increases significantly. As the tip clearance increases, the high heat transfer coefficient area extends from the suction side to the pressure side near the leading edge. And the heat transfer coefficients near the pressure side of squealer tip, on the squealer rim and on the blade trailing edge increase significantly while the film cooling effectiveness decreases.

gas turbine; squealer tip; heat transfer; film cooling

10.7652/xjtuxb201605015

2015-10-22。 作者簡介:黃琰(1992—),女,碩士生;晏鑫(通信作者),男,副教授。 基金項(xiàng)目:國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51306138)。

時間:2016-03-01

http:∥www.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20160301.1016.006.html

TK474.7

A

0253-987X(2016)05-0101-07