气膜冷却在热电联产燃气轮机中的应用

摘 要：热电联产燃气轮机在人们日常生活中用电和供暖得到了广泛的应用，然而大量的热量会对燃气轮机叶片等工作部件产生损耗，甚至致其报废，因此采用气膜冷却技术来保证叶片及其他部件的正常工作，减少损失。本文数值模拟了气膜冷却对燃气轮机叶片冷却效率的影响，结果表明：在槽深一定时，开槽深度越大，燃气轮机叶片的冷却效率越低；在槽宽一定时，开槽宽度越大，燃气轮机叶片的冷却效率越高。

关键词：气膜冷却；热电联产；燃气轮机；数值模拟

热电联产燃气轮机在各个行业得到了很广泛的应用，尤其是在热电厂和民用的供暖方面显得格外突出。之所以受到重视是因为其具有节省了大量的资源和能源，降低环境污染，能提供大量的电力和热量等等优点。

在北方，基本上采用集中供热的方式，大部分供热设施都以热电联产燃气轮机为主。

作为居民小区供暖的热源来自于蒸汽，而这些蒸汽是燃气轮机发电以后排出的气体进入余热锅炉后而产生的。热电联产燃气轮机相对于其他方式的燃气轮机具有燃料利用率高、降低环境污染、节省土地面积、水资源少、工作人员少的优点，这样不浪费资源，节省了大量的资源、人力和财力。

这几年热电联产燃气轮机发展很快，提高其初温是最大的发展方向，提高温度会使燃气轮机叶片及其他工作零部件遭到破坏，因此必须采用合理的冷却方式将其过高的温度降低，目前气膜冷却技术是最好的冷却方式之一。

其原理是在高温部件表面开若干个小孔，冷却介质以横向射流的形式注入主流中，在主流的压迫作用下，射流弯曲并覆盖于高温表面，形成低温气膜，进而高温部件就可以起到隔热和散热效果[ 1 ]。气膜冷却示意图如图1所示。

左红等[ 2 ]研究了不同横向槽深度对平均气膜冷却效率的影响，发现深度越深冷却效果越好。于锦禄等[ 3-4 ]研究了不同横向宽度对气膜冷却效果影响，发现横向宽度越大平均冷却效率越好。

1 计算模型和数值方法

1.1 计算模型

本文采用的计算模型是在槽深0.5D不变情况下，不同槽宽分别为2D、3D、4D时的气膜冷却结构，以及槽宽2D不变情况下，不同槽深分别为0.5D、0.75D、1D时的气膜冷却结构，如图2、图3所示。

1.2数值方法

计算时选用Realizable k-湍流模型，采用有限体积法对通用控制方程进行离散，离散格式为二阶迎风格式，流场迭代求解方法为SIMPLE算法。

1.3 边界条件

主流入口和射流入口边界条件均为速度入口，出口采用压力出口。主流入口温度为353.15K，速度设定为10m/s。射流入口温度293.15K，工质均为空气。

气膜冷却效率定义为：

2 结果的分析和讨论

鉴定气膜冷却效果好坏指标之一是气膜冷却效率η，图4和图5分别为在质量比M=0.5时不同槽宽和不同槽深气膜冷却结构的冷却效率曲线图。

通过冷却效率曲线能直观地看出哪种气膜冷却结构的冷却效率较好，由图4我们可以看出，在槽深0.5D一定时，随着槽宽的不断加大，气膜冷却结构的冷却效率不断降低，在一开始主流和射流相互作用，之后不断地混合剧烈，致使一开始的冷却效率高达0.9左右，随后主流和射流的作用没有那么明显，在气流流到槽内的时候会产生阻碍主流和射流相互作用的涡流，这些涡流会使气流在壁面上的贴壁性不好，从而降低了冷却效率。随着槽宽的宽度不断的增大，这样的涡流也会随之增加，气流进入壁面的距离越来越远，气膜冷却孔在出口的面积也会越来越小，致使冷却效率降低。结构1到最后的冷却效率趋于平稳，达到0—0.3左右，结构2到最后的冷却效率趋于平稳，达到0—0.2左右，结构3到最后的冷却效率趋于平稳，达到0—0.1左右，总之随着槽宽的逐渐加宽，气膜冷却结构的冷却效率越来越低。

由图5我们可以看出，在槽深2D一定时，随着槽深的不断增大，气膜冷却结构的冷却效率不断升高，刚开始主流进入槽过程中与射流掺杂剧烈，冷却效率高达1.0左右。随后到了气膜冷却孔的下游，这种掺杂程度越来越缓慢，形成的涡对距离壁面较远，因此冷却效率逐渐降低，但是相对于图4中的冷却效率，图5中的冷却效率整体较高。这是由于随着槽深不断加大，射流的核心区域会形成与涡对相抵消作用的其他反向涡，这种反向涡会促使主射流相互作用，并且使气体在气膜冷却孔在出口的面积增大，增大了气体在壁面上的贴壁性，致使冷却效率升高。

3 总结

基于热电联产燃气轮机在这几年的广泛应用，为了解决温度过高对燃气轮机叶片等零部件的损坏，本文研究了气膜冷却技术在热电联产燃气轮机的应用，分别分析了不同槽宽和不同槽深对气膜冷却效率的影响，得出的结论如下：

1）在槽深0.5D不变下，随着槽宽的不断增加，气膜冷却结构的冷却效率越来越低。

2）在槽宽2D不变下，随着槽深的不断增加，气膜冷却结构的冷却效率越来越高。

3）在本文研究范围内，开槽宽度为2D、开槽深度为1D的气膜冷却结构冷却效率最高，而开槽宽度为4D、开槽深度为0.5D的气膜冷却结构冷却效率最低。

参考文献：

[1] 葛紹岩，刘登瀛，徐靖中，气膜冷却[M].北京：科学出版社，1985.

[2] 左红，王鹏，武卫等.横向槽深度对气膜孔冷却性能影响数值研究[J].机械科学与技术， 2008， 27（9）：1252-1260.

[3] 于锦禄，赵罡，何立明等.横向槽横向宽度对气膜孔冷却性能影响的数值研究[J].中国电机工程学报， 2010， 30（17）：79-84.

[4] 于锦禄，何立明，蒋永健等.带横向槽的气膜冷却结构冷却性能数值研究[J].机械设计与制造， 2008（3）：128-130.

作者简介：

王冲（1988-），男，汉族，吉林长春人，硕士，研究方向：能源动力。