吹风比对圆角横槽冷却效率的影响

刘铭起 郑凯兮 史昕博 蒋尚韬 潘思卓

摘 要 本文采用CFD方法，在不同吹风比下研究圆角横槽结构冷却效率。结果表明：与传统圆孔气膜冷却结构相比，具有圆角横槽结构的冷却效率得到了显著的提高。新的槽出口几何形状可降低薄膜冷却质量流速，同时提升冷却效果。

关键词 燃气轮机 气膜冷却 圆角横槽 康达效应

中图分类号：V211.4文献标识码：A

0引言

随着燃气轮机性能的不断提高，燃气进口温度的增加一方面会导致燃烧室受热不均，造成燃烧室火焰筒壁上产生很大的温度梯度，对部件寿命影响严重，另一方面传统合金材料已经不能满足现代燃机的要求，所以必须采用先进的冷却技术来保证燃机透平初温的提升。

本文在不同吹风比条件下对圆角横槽结构的换热特性进行数值研究，通过圆角结构参数来调节抗涡孔的冷却效率。针对冷却效率表现较好的结构进行优化，提出一种气膜冷却效率更高的圆角横槽结构。

1物理模型和计算方法

本文共研究3种不同的圆角横槽结构和1种传统圆孔结构，冷却孔结构孔径D为5mm，冷却流出口角%Z为35埃岵墼步墙嵌确直鹞？.2D、0.25D和0.3D。

2计算方法及边界条件的设置

本文采用Realizable k-%^模型，近壁区域用增强壁面函数处理（Enhanced Wall Treatment）。压力和速度耦合采用SIMPLE算法，各个物理量采用二阶精度迎风格式离散，收敛条件为各个参数残差小于10-5。主流入口定义为速度入口，平均速度为20m/s，温度为330K，主流湍流度为4.5%;冷却气流通道入口同为速度入口，温度为300K，湍流度為1%，速度大小根据吹风比计算得出。出口压力为101.325kPa。

3结果与讨论

由图1可以看出，在传统结构中，在较小吹风比条件下冷却效率高于其他两种吹风比，且在近圆孔处（0到3D），M=0.5，1.0，1.5冷却效率依次降低。在圆角0.2D圆槽结构中，在近圆孔处（0到3D），M=0.5冷却效率远高于其他两种。在3D到25D之间，大吹风比（M=1.5）冷却效率最高。圆角为0.25D的结构中，小于13D的流向区域内，M=0.5的冷却效率最高，而大于13D的区域M=1和M=1.5效率较高。圆角为0.3D的结构与0.25D结构的冷却效率趋势相似。以上分析可得，在较小的圆角结构中小吹风比具有较高的冷却效率，而随着圆角的增大，较大吹风比的冷却效率具有上升趋势。

圆角0.25D的圆槽结构具有较优异性能。尤其在大吹风比情况下，表现尤为明显。图2给出了传统圆孔和圆角0.25D结构壁面气膜冷却效率云图，可以看出与传统基线圆孔气膜冷却结构相对比，具有圆角横槽的气膜冷却结构的冷却效率得到了显著的提高，这是由于圆角横槽结构有效抑制垂直槽的射流进入交叉流，使冷却气流贴附于壁面产生康达效应，增加了冷却流体在展向上的覆盖，有效提高了气膜冷却效率。

4结论

3种圆角结构圆槽孔平均气膜冷却效率均高于常规圆孔结构，且随着吹风比的增大，冷却效率的峰值沿X轴增大。在小吹风比（M=0.5）的情况下，整体冷却效率最高。

在较小的圆角结构中，小吹风比具有较高的冷却效率，而随着圆角的增大，在较大吹风比情况下，效率具有上升趋势。

圆角角度为0.25D的圆角横槽结构具有较优异性能。并且随着吹风比的不断增大，圆角横槽结构气膜冷却效率都远高于常规圆孔结构，尤其在大吹风比条件下表现得尤为明显。

参考文献

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