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不同转速下叶片表面气膜冷却效果数值研究
发稿时间:2018-01-15         作者:文/于志强          来源:先进燃气轮机实验室     【字号:

  气膜冷却是燃气轮机高温部件的一种有效冷却方式。影响气膜冷却效果的因素主要有气动参数(主流雷诺数、马赫数、主流湍流度、吹风比、密度比、动量比等)、几何参数(气膜孔形状、气膜孔长径比、射流角与复合角、叶片表面曲率及气膜孔位置)等。由于透平转子叶片工作在旋转状态下,因此有必要对不同转速下叶片表面气膜冷却效果进行研究,探索旋转状态下与静止状态下叶片表面气膜冷却效果的异同。 

  研究人员对吸里面和压力面分别带有21个圆柱形气膜孔的转子叶片进行了数值研究。转子转速分别为0 rpm1500 rpm1600 rpm1800 rpm1900 rpm2000 rpm。图1 展示了不同转速下叶片吸力面与压力面气膜冷却效果分布,叶片表面“冷痕”可以近似代表冷气运动轨迹。图2展示了吸力面与压力面展向平均气膜冷却效果沿流向变化规律。 

  通过分析得到如下结论,冷气运动轨迹:静止状态下,叶片表面冷气轨迹略偏向低半径方向;旋转状态下,叶片中间区域冷气运动轨迹在离心力的作用下偏向高半径方向,压力面冷气运动轨迹偏转幅度更大。叶顶泄露流的作用使得压力面靠近叶顶区域的冷气射流偏向高半径方向;端壁附近压差作用下形成的横流使得压力面靠近端壁位置冷气出流有向低半径方向运动的趋势;通道涡的作用使得吸力面靠近轮缘与轮毂位置冷气运动轨迹偏向叶中位置,在靠近尾缘的轮缘、轮毂位置形成未冷却的三角区。 

  气膜冷却的效果从图2中可以看出,压力面:S/D=5~35范围内,静止状态下叶片表面气膜冷却效果略高于旋转状态下叶片表面气膜冷却效果;其余位置旋转状态下与静止状态下叶片表面气膜冷却效果差别不大。在吸力面,气膜冷却效果沿着流向经历了降低、上升、再降低的过程,这是由于冷气动量比较大,在气膜孔出口位置出现了冷气吹离现象,主流的作用又使得冷气再附着于叶片表面。旋转状态下叶片表面气膜冷却效果低于静止状态下叶片表面气膜冷却效果,这是叶片表面附近流动状态发生变化造成的。 

  研究人员下一步还将针对旋转状态下、不同孔型以及不同叶高处气膜冷却性能做进一步研究。 

  图1 叶片表面气膜冷却效果(上:压力面,下:吸力面,BR=0.5

 

2 展向平均气膜冷却效果沿流向变化

 
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