渦輪端壁氣膜冷卻數(shù)值研究.pdf

1、端壁是燃氣輪機渦輪重要的組成部分，其工作環(huán)境較為惡劣，承受較高溫度。對渦輪端壁處的保護至關(guān)重要，渦輪端壁表面有著較為復(fù)雜的二次流動，對其冷卻較為復(fù)雜。冷卻氣膜受到來自端壁渦系以及葉片間的橫向壓力梯度的作用并不能較為理想附著在端壁表面。因此需要合理有效的冷卻方案對渦輪端壁形成良好的保護；或者通過有效手段來控制端壁二次流動，使其向有利于冷卻氣膜覆蓋的方向發(fā)展。
　　本文通過數(shù)值模擬的方法進行探究，主要涉及兩大部分的研究。首先是對某型燃

2、氣輪機葉片端壁的冷卻方案進行數(shù)值計算，發(fā)現(xiàn)其冷卻方案存在冷卻氣膜覆蓋的盲區(qū)，進而根據(jù)所計算得到結(jié)果進行遞進式的設(shè)計，對一排孔的射流角度以及軸向位置進行了探討。最終一排孔位置定為與葉片前緣2.5mm處，射流角度與軸向成30°，從一排孔冷卻逐漸遞進得到四排孔冷卻方案，可以對整個弦長區(qū)域形成良好的覆蓋。對比了多吹風(fēng)比下以及不同的布置方式對四排孔冷卻的影響，在吹風(fēng)比為2.0時冷卻氣膜覆蓋最好，采用沿等壓線布置冷卻氣流延伸性最好，沿軸向布置冷卻氣

3、膜分布均勻。最終通過對四排孔冷卻方案進行局部加密得到較為理想的端壁冷卻方案。
　　文章另一部分主要討論了如何通過控制端壁二次流動達到優(yōu)化端壁處冷卻的目的的兩種手段，非對稱造型和渦輪葉根處倒角觀察其對端壁冷卻效果的影響。文章為了保證造型的光滑度采用高次的三角函數(shù)作為端壁造型控制函數(shù)，并通過改變控制函數(shù)的相位角度以及幅值來控制端壁的造型，對比各種造型在相位補償角度變化時對流通特性的改變，以及對端壁一排孔冷卻效果的影響。通過研究發(fā)現(xiàn)在相

4、位補償角度為90°時一排孔整體冷卻效果最好，冷卻效率為0.3213最高，且存在冷卻氣膜覆蓋盲區(qū)最小。對比控制函數(shù)的幅值改變端壁造型的變化幅度，觀察其造型函數(shù)幅值改變對通流特性以及端壁冷卻效果的影響。隨著幅值的增大，端壁造型的幅度增加，整體冷卻效率從0.2876提高到0.3213，但局部冷卻盲區(qū)增大；文章也采用另一種能夠改善近端壁處流動的手段即在葉根處加入倒角，并逐漸增大倒角半徑觀察其對整體通流特性，并在前緣處一排孔冷卻條件下探究其冷卻效