文档介绍：中国工程热物理学会传热传质学
学术会议论文编号:123529
带供气腔的叶片气膜冷却特性数值研究
王进,吴晗,喻澎清,曾敏,王秋旺
(西安交通大学,能源与动力工程学院,热流科学与工程教育部重点实验室,西安 710049)
(Tel: 029-82663502, E-mail: ******@.)
摘要:本文通过数值模拟方法研究了带有供气腔的凹槽状叶顶气膜冷却特性,通过给定供气腔而进一步模拟真实的中空叶片。数值模拟结果表明,空气腔内出现涡对,并带走了叶片内表面即空气腔的内表面的部分热量,提供了简单的叶片内部冷却,通过结合叶片内部结构和叶顶气膜孔结构,实现了内部流动和外部流体整个流场的复合冷却技术研究。
关键词:叶片;气膜冷却;供气腔;复合
0 前言
透平叶片在运行过程中始终承受高温流体的侵蚀,为解决耐温材料发展不能满足入口温度提高幅度的这一滞后问题,气膜冷却技术是当前对涡轮叶片实施防热保护的一个外部冷却技术,有其重要的研究价值。由于透平叶顶损坏的主要原因是存在从压力面越过叶顶流向吸力面的间隙泄漏流,故众多学者对叶顶区的流动和传热展开了一系列研究。
Metzger等[1]指出动叶顶部的对流增大了传热负荷,Kim等[2-3]比较了几种不同的顶部冷却结构及其对气膜冷却效率和传热系数的影响。Bunker等[4]用液晶显示技术在平面叶栅上进行了透平叶顶的传热实验研究,获得了透平动叶平顶表面详细的传热系数分布。Azad等[5]采用GE-E3第一级动叶研究了各种顶部封条结构,发现单吸力面肩壁效果最好。Yang和Diller[6]对凹槽底部使用单点测量法分析了凹槽顶的局部传热系数。Acharya等[7]用数值方法研究了中弧线上布置八个气膜孔的叶顶结构,分别研究了平顶和凹槽状叶顶以及带有和不带气膜冷却的叶顶结构。Christophel等[8]分析了叶片压力侧气膜孔对叶顶的冷却效果。Mhetras等[9]也针对凹槽顶深度对气膜冷却效率影响进行了研究。Newton等[10]分析了轴流涡轮机叶顶泄漏流的传热特性。<br小组对叶顶区的流动和传热进行了模拟与实验研究[11]。然而,国内外大多数的研究为了简化,常采用单独研究外部冷却或内部冷却技术,很少将二者一起考虑。本文采用近来流行的带有供气腔的叶片结构来研究顶部气膜冷却技术,旨在分析研究考虑供气腔后的叶片内部和外部的流动与传热特性,并未后期考虑内部复杂蛇形通道等结构的研究工作提供基础。但分析内部和外部传热与流动特性时,依然分开进行,但考虑供气腔叶片内部结构的研究将为实现气膜冷却和冲击射流冷却、肋片扰流冷却、柱-肋冷却等透平内部冷却相结合的复合式冷却技术提供基础和参考。
1 三维E3叶片结构的数值模拟
物理模型的建立
本文采用布置了五个气膜孔的顶端开有凹槽E3叶片进行模拟,叶片形状如图1所示。叶片模型尺寸是实体的三倍,叶片所在通道内的计算域采用周向周期性边界, cm,, cm, mm。
数值模拟为分析叶片顶部流动与传热的特性而常不考虑二次流进气的供气腔,采用图2中所示的直管结构比较多,与实际气膜孔流量分配难于控制、叶片内部中空并拥有叶片内部冷却通道等工况和结构不符。
故本文在叶片