气膜孔形状对涡轮叶片气膜冷却效果的影响

　　引　言

　　提高透平进口温度是改善燃气轮机性能和提高其经济性的重要途径,但却受到叶片材料耐热性能的限制,因此必须采取有效的冷却措施对涡轮叶片加以保护,使其免受高温腐蚀或损伤。在众多的冷却技术中,气膜冷却已被广泛地应用于压气机、燃烧室尤其是涡轮上,成为发动机热端部件的主要冷却方式之一,因此,准确预估气膜冷却效果对燃气轮机叶片等设计起着至关重要的作用。

　　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不容忽视。近年来,国内外学者对此进行了大量的研究,朱惠人等人实验比较了圆柱形孔、圆锥形孔及簸箕形孔的冷却效率[1],发现当吹风比较大时,带有扩张形出口的气膜冷却效率优于圆柱形孔。Ekkad和Schmidt等人研究了不同几何形状射流喷孔的气膜冷却效率及冷却效率随动量通量比的变化规律[2~3]。Gritsch和Kim等人给出了不同吹风比情况下[4~6],复合斜孔射流下游传热系数比的分布情况,发现圆孔的传热系数比值最高,由于具有扩张形出口的孔,在出口处横截面积的增加,射流动量降低,导致传热系数比值降低。近几年,有学者尝试采用新型缩放槽缝孔来对气膜孔的结构进行优化[7~8],以期得到较好的气膜冷却效果和孔口气动性能。Lu实验研究了月牙形孔、槽缝形孔、漏斗形孔孔口下游的传热特性[9],发现月牙形孔和槽缝形孔在相邻孔间的气膜覆盖性较好,漏斗形孔在孔口下游的冷却效率较高,沿叶高方向的效率低于其它两种孔形。

　　新型孔优化了气膜孔的结构,不同程度地提高了气膜冷却效率,有望在今后发动机高温部件的气膜冷却设计中发挥重要的作用[10],迄今这方面的工作仍在继续,但大多以实验研究为主[11~13],而用数值模拟方法对新型孔与其它孔形进行系统比较与分析的文献相对较少。为此本文应用两层k-ε湍流模型,模拟计算了圆柱孔、前向扩张孔、开槽前向扩张孔及新型缩放槽缝孔在射流下游处及叶高方向上的气膜冷却效率及流场分布,并将4种孔形的计算结果进行了详细的对比分析,以期更好地了解不同气膜孔孔口的流场流动特性和传热机理,为实际气膜孔的优化设计提供参考。

　　1　数值模拟方法

　　1.1　湍流模型

　　采用的两层k-ε湍流模型是介于壁面函数和低雷诺数模型之间的一种中间模型[14~15],它在受粘性力影响的近壁面应用一方程模型[16],外部核心流应用标准k-ε模型,两层k-ε湍流模型的优势表现在:第一,与单纯低雷诺数方法相比,在粘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出口附近,两层k-ε湍流模型较传统的k-ε模型有更精确的预测[17~18]。