横流通道对气膜冷却性能影响的数值研究

张陆新，南春雷，尤国林，韩震宇

（东方汽轮机有限公司，四川 德阳 618000）

由于燃气轮机的效率随透平进口温度的提高而提高，因此，当代先进燃机透平进口温度逐年提高，并且已经远远超过了叶片金属材料的耐热温度[1]，所以，对叶片采取高效的冷却技术尤为重要。本文采用数值方法研究了不同吹风比和不同横流雷诺数下，光滑横流通道和直肋横流通道对气膜冷却性能的影响，为高温叶片复合冷却设计提供依据。

1 计算模型

本文参照文献[2]中的实验，建立了如图1（a）所示的计算模型。该模型包括内部横流通道、气膜孔和主流通道。同时，建立了2种横流通道，即光滑通道，如图1（b）所示，直肋通道，如图1（c）所示。

图1 计算模型

2 边界条件

本文采用理想空气作为工质，参考相关实验[2-3]，计算模型壁面均按照绝热处理，主流通道入口给定质量流量0.064 kg/s，总温为26.85℃，出口静压1 atm；横流通道进口总温46.85℃。通过改变横流通道入口质量流量来调整横流雷诺数，通过改变横流通道出入口的质量流量差来调整吹风比。

3 湍流模型验证

本文采用商用软件ANSYS CFX14.5求解RANS方程进行计算。为了验证结果的准确性，选取吹风比为0.5，横流雷诺数为80 000的工况，使用k-ε、k-ω和SST这3种湍流模型分别计算，并选取平板壁面横向平均气膜有效度判断湍流模型的可靠性。图2给出了3种计算结果与文献[2]中的实验数据对比，发现k-ε湍流模型计算结果与实验值最符合，且最大误差小于15%，因此本文选取k-ε湍流模型进行计算。

图2 湍流模型验证

图3 计算网格

4 计算网格

本文采用ANSYS ICEM 14.5软件生成结构化网格，计算网格如图3所示。对壁面网格进行加密，保证y（＋）满足湍流模型的要求。经过网格无关性验证，最终确定网格规模为350万。

5 横流对气膜冷却性能的影响

图4给出了吹风比M＝0.5时气膜有效度分布云图，由其可见相对于气室进气结构，光滑通道的平板气膜分布向＋Y侧偏斜，并且横流雷诺数越大，气膜分布的偏斜程度更大。但是，直肋通道的平板气膜分布具有较好的对称性，并且气膜的覆盖面积相较气室结构有所扩大。由横向平均气膜有效度曲线可知，相对于气室进气结构，光滑通道的气膜有效度比较低，且横流雷诺数越大，气膜冷却性能越差。而直肋通道提高了气膜有效度，同时，横流雷诺数越大，气膜冷却性能越好。

接着增大吹风比至M＝1.0，根据图5给出的平板气膜有效度分布云图和横向平均气膜有效度曲线，可知气室结构的气膜冷却性能降低。同时，光滑通道的平板气膜覆盖面积显著增大，气膜有效度提高，横流雷诺数越大，冷却性能越好。对于直肋通道，虽然冷却性能相较光滑通道降低，但仍高于气室进气结构，且横流雷诺数越大，气膜冷却性能越差。

图4 M＝0.5时气膜有效度分布云图和横向平均气膜有效度曲线

图5 M＝1.0时气膜有效度分布云图和横向平均气膜有效度曲线

继续增大吹风比至M=1.5，根据图6给出的平板气膜有效度分布云图和横向平均气膜有效度曲线，可知气室结构的气膜冷却性能进一步恶化。同时，光滑通道的气膜冷却性能略有下降，在靠近气膜孔处，气膜冷却性能随横流雷诺数的增大而减小，而在远离气膜孔处，气膜冷却性能随横流雷诺数的增大而增大。直肋通道的气膜冷却性能继续下降，但相对于气室结构仍改善了气膜冷却性能，横流雷诺数越大，气膜冷却性能越差。

图6 M＝1.5时气膜有效度分布云图和横向平均气膜有效度曲线

6 横流对气膜冷却流动结构的影响

为了探究横流对气膜冷却流动结构的影响，分别作出x/d＝1和x/d＝20不同截面上近壁面处的流线图和温度云图进行分析。本文选取横流雷诺数为10 000和80 000的2种工况。由图7给出的x/d＝1截面的流线图和温度云图可知，直肋通道和气室结构在气膜孔出口处流动均为冷却射流从气膜孔射出，并形成一组对气流具有上洗作用的反旋涡对，且随着吹风比的增加，冷却气流动量增大，气膜孔出口处射流高度比较高，壁面附近冷气量变少，因此，气膜冷却性能变差。然而在光滑横流通道结构中，冷却射流会分成两股从气膜孔出口两侧分别射出，并各自形成一组反旋涡对。

由图8给出的x/d＝20截面的流线图和温度云图可知，在射流与主流掺混的影响下，射流无量纲温度降低，并在反旋涡对的上洗作用下，射流相对于x/d＝1截面高度有增加，因此，壁面气膜有效度降低。对于光滑横流通道，3号涡强度大，随着射流发展，-Y侧涡对被卷吸到壁面附近，4号涡逆时针上移。对于直肋横流通道，反旋涡对中-Y侧涡更强并靠近中心线，削弱气流上洗作用，气膜冷却性能提高。

图7 x/d＝1截面流线图和温度云图

图8 x/d＝20截面流线图和温度云图

7 结论

本文建立了光滑横流通道和直肋横流通道的气膜冷却计算模型，通过数值模拟方法，研究了不同吹风比和横流雷诺数工况条件下，不同横流通道中横流对气膜冷却性能的影响。研究结果表明：①相对于气室结构，光滑通道中的横流在低吹风比下会削弱气膜冷却性能，且横流雷诺数越大气膜冷却性能越差，但在高吹风比下会显著提高气膜冷却性能，且横流雷诺数越大，气膜冷却性能越好。②相对于气室结构，直肋通道中的横流在各吹风比下均会提高气膜冷却性能，但在低吹风比下，横流雷诺数越大，气膜冷却性能越好，在高吹风比下则相反。③与光滑通道相比，直肋通道中的横流在低吹风比下会提高气膜的冷却性能，在高吹风比下则相反。

［1］Han J-C，Dutta S，Ekkad S.Gas turbine heat transfer and cooling technology［M］.Boca Raton：CRC Press，2012.

［2］骆剑霞.涡轮叶片内冷结构对外部气膜冷却特性的影响研究［D］.西安：西北工业大学，2014.

［3］Xie G，Liu X，Yan H.Film cooling performance and flow haracteristics of internal cooling channels with continuous/truncated ribs［J］.International Journal of Heat&Mass Transfer，2017（105）：67-75.