气膜孔角度对涡轮气动性能影响的数值研究.pdf

机械制造 白创军 ， 等 气膜孔 角度对涡轮 气动性能影响的数值研 究 气 膜孑 L 角度对涡轮气 动性 能影 响的数值研究 白创军 ， 张村元 ， 徐伟祖 ， 钟易成 1 ． 中航工业南方航 空工业 集团 有限公司 ， 湖南 株洲 4 1 2 0 0 2 ； 2 ． 南京航 空航天大学 动力与 能源学院 。 江苏 南京 2 1 0 0 1 6 ； 3 ． 南京普国科技有限公 司 ， 江苏 南京 2 1 0 0 1 6 摘要 针对 某高压燃 气涡轮导叶前缘开设三排气膜孔冷气掺 混进行 了数值模 拟 ， 气膜 孔流向 夹角均 为9 0 。 ， 径 向射流 角分别为 3 0 。 ， 4 5 。 ， 6 0 。 和 9 0 。 。采用网格预 处理技术 划分 网格 。详细分 析了冷却流量占主流 1 ． 2 5 ％条件下， 前缘冷气喷射对导叶型面气动参数和冷却效率的影响， 对 比研究了不同冷气流量与流动损失、 涡轮级效率之间的关联。计算结果表明 冷气径向喷射角 减 小， 冷却孔 附近 区域 的静压 、 马赫数振 动幅度也减 弱。冷却 流量增加 ， 叶 片表 面的温度 随之 降低， 但温度降幅逐渐减小。总压损失系数和能量损失系数随着冷气流量的增大而增加。导 叶进 口流量和涡轮级效率随着冷却流量的增加而减小。 关键词 冷气掺混； 网格预处理； 冷却效率； 流动损失； 涡轮级效率 中图分类号 T H1 1 3 ； V 2 3 1 ． 3 文献标志码 A 文章编号 1 6 7 1 - 5 2 7 6 2 0 1 3 0 5 0 0 1 0 0 6 Nu me r i c a l I n v e s t i g a t i o n o n I n flue n c e O f Di ffe r e n t An g l e s Ho l e r o n Ae r o d yn a mi c Pe r f o r ma nc e o f Tur b i n e B A I C h u a n g - j u n ． Z H A N G C u n y u a n ， X U We i ． Z U ， Z H 0 N G Y i c h e n g 1 ． AVI C S o u t h Av ia t io n I n d u s t r y L i mi t e d Co r p o r a t i o n，Zh u z h o u 4 1 2 0 0 2．Ch i n a 2 ． C o i l ． o f E n e r g y a n d P o w e r ，N a n j i n g U n i v ． o f A e r o n a u t ic s a n d A s t r o n a u t i c s ， N a n j i n g 2 1 0 0 1 6 ， Ch i n a ； 3 ． T h e L i mit e d C o mp a n y o f N a n j i n g P u g u o T e c h n o l o g y ，N a n j i n g 2 1 0 0 1 6 ， Ch i n a Ab s t r a c t T h is p a p e r n u me r ic a ll y s i mu t a t e s t h r e e r o w s h o l e s o f a h i g h p r e s s u r e g a s t u r b i n e s t a t o r o n t h e le a d i n g e d g e ． T h e i n j e c t io n a n gle s o f t h e r o w o f h ole s a r e 3 0 。， 4 5 。，6 0 。an d 9 0 。t o t he r a dial dir e c t i o n，r e s p e c t i v e ly，t h e l a t e r al di r e c t i o n an g les a r e a l l 9 0 d e g． The p r e t r e a t men t t e c h no l o g y is u s e d i n div i d i n g me s h gr id．I t a l s o an a l y z es t h e i n f l u e nc e o f t h e le a ding e d g e o f f i l m c o ol in g e ffe c t on t h e s u fla c e a er o d yn a mic p a r a me t e r s a n d c oo l in g eff i c ie n c y o n c o nd it ion t h a t t he co o l ing ma s s f l o w is 1 ． 2 5％ o f main f lo w a n d c o m- p ar e s a n d s t u die s t h e a s s o cia t ion b e t we e n t h e d iffe r e n t mas s f lo w r a t e a n d f lo w lo s s e s，t h e e ffic i e n c y o f t h e t u r b i n e s t a g e．Th e r e - s u it s s h o w t h a t wh e n t h e r a d ia l j e t a n g le d e c r e a s e s ， t h e v ib r a t io n a mp l it u d e o f p r e s s u r e a n d ma c h n u mb e r n e a r t h e a r e a o f c o o li n g h ole i s we ak e n e d，t he t e mpe r a t u r e o f t h e b l a d e d ec r e a s e s wi t h Coo l in g ma s s f low in cr e a s e s，b u t t h e a mpli t u d e o f t e mp e r at u r e gr a d - u ally de c r ea s e s ．Th e t o t a l p r e s s ur e lo s s c oe ff i c ien t an d en e r g y l o s s c o e ffic i e n t i n c r e a se s wit h t h e ma s s f lo w in c r e a s e． Th e s t a t or in l e t f l o w an d e ff i c ien c y o f t u r bi n e s t a g e ar e d e cr e a s e d wi t h t h e c o oli n g mas s f lo w in c r e a s e d． Ke y wo r d s c o o la n t in j e c t i o n； p r e t r e a t me n t t e c h n o l o g y； c o o li n g e ff ic i e n c y ； f lo w lo s s e s ； e ff ic i e n c y o f t u r b i n e s t a g e 0 引言 航空发动机推力的提高在很大程度上取决于高压级 涡轮进E l 总温， 根据计算进 13 总温每提高 5 5℃， 发动机推 力可提高约 1 0 ％。推重比为 1 0的一级加力式涡轮发动机 涡轮进E l 温度 已达 1 5 8 0 o C一1 6 8 0℃， 而推重比 1 5 ～ 2 0 的发动机预研进入一个崭新的发展阶段 J 。由此可知涡 轮进口温度超过材料的允许工作温度， 为保证叶片安全运 行要采取相应的措施 。气膜冷却具有高效冷却特性， 因而被广泛地应用于涡轮叶片上。 叶片前缘区域热负荷最高， 最需要进行冷却保护。数 值模拟是研究气膜冷却的重要手段， 很多国内外研究者对 叶片前缘冷却进行了大量的研究。G a r g等人 J 、 Y o r k等 人 、 姜澎等人 J 、 李少华等人 J 、 戴萍等人 和雷云涛等 人 侧重研究前缘冷气喷射对叶片气膜冷却效果影响， 而 I t o 等人 、 张漫等人 、 姚玉等人 “ 和程浮等人 侧重 研究冷气喷射对叶栅通道的损失。目前公开发表的文献综 合研究前缘冷气喷射对叶片气膜冷却效果、 叶栅通道损失 以及涡轮基元级性能较少， 为了更加高效地对轴流涡轮进 行冷却方案优化设计， 就必须更加深入地认识前缘冷气喷 射对轴流涡轮流动状态和叶栅损失的影响机制。 本文以某高压燃气涡轮三维直叶片为对象研究了前 缘不同径向射流对叶片气动性能、 流动损失、 冷却效率以 及涡轮基元级性能的影响。导叶前缘开设三排气膜孔 ， 气 膜孔流向夹角均为 9 0 。 ， 径向射流角分别为 3 0 。 ， 4 5 。 ， 6 0 。 和 9 0 。 。详细分析了冷却流量占主流 1 ． 2 5 ％条件下， 前缘 冷气喷射对导叶型面气动参数和冷却效率的影响， 对比研 究了不同冷气流量与流动损失 、 涡轮级效率之间的关联， 可为冷却涡轮叶片设计与分析提供参考。本文 C F D计算 作 者简介 白创军 1 9 7 4 - ， 男 ， 陕西澄城人 ， 高级工程师 ， 主要从事燃气轮机设 计工作 。 1 0 h t t p ∥Z Z H D ． c h i n a j o u r n a 1 ． n e t ． c a E m a i l Z Z H D c h a i n a j o u r n a 1 ． n e t ． c a 机械制造与自 动化 机械制造 白创军， 等 气膜孔角度对涡轮气动性能影响的数值研究 2 ． 2 湍流模型 采用商业 C F X软件求解三维雷诺平均 N ． S方程获得 叶栅通道内部流场， 残差精度设置为 1 0 一。层流粘性系数 由S u t h e r l a n d 公式求出， 湍流模型采用 k - t o S S T模型。 定义气膜冷却绝热效率 叼 一 ／ 一 1 叶栅冷气掺混的能量损失计算应综合考虑主流和冷 气的温度、 质量变化， 因此能量损失系数定义为 2 m ． [ 1 一 ／ T] ％． ． [ 卜 。 ／ G X - ] 式 中 T a w 绝热壁 面总温 ； 主流总温 ； 冷 气总温； P 。 叶栅出口气流平均静压； P 叶栅出E l 平均 总 压 ； P 主 流 进 口 总 压 ； m 主 流 流 量 ； m 冷气流量。 总压损失系数 为叶栅进、 出口总压差与出口 静压差之 比。导向叶片 y P m P ／ P I 一 。 3 3 结果与分 析 3 ． 1 型面气 动参数 图5显示了在冷气流量 占主流 1 ． 2 5 ％条件下， 前缘冷 气不同径向喷射角对叶片表面压力分布的影响。图5 a 表面前缘冷气喷射对冷却孔附近的型面压力的影响十分 明显， 而对与冷却孔较远的区域影响较小。由于冷气喷射 对主流的滞止作用， 射流前静压升高， 射流后静压降低 ， 使 得冷却孔附近区域压力出现了较为明显地波动。压力面 的顺压力梯度导致喷射出的冷气被主流压迫贴附壁面流 动， 冷气喷射对主流的阻碍小 ， 因此压力面的静压变化比 吸力面的静压变化小。从图 5 b 局部放大图可知， 随着 冷气径向喷射角的减小， 冷却孔附近的静压变化也相应的 降低。由于径向角的减小 ， 冷却孔的出流面积增大， 在相 同的冷气流量条件下， 喷射出的冷气动量减弱， 对主流的 阻碍作用降低， 静压波动减小。 1 ． 5 1 4 罢 1 _ 3 1 2 一 ●h _n DO ． 5 N1 0 A3 0 一DO ． 5 N1 0 A4 5 i- - ●一 DO ． 5 N1 0 A9 0 一DO． 5 N1 0 A60 一 ’ ●一No C o o l in g O 0 2 0 ．4流向 0 6 1 ．5 1 ． 4 1 - 3 1 ． 2 ● 謦 ． ‘＼ 0 0 ． 1 流向0 ． 2 0 ． 3 b 局部放大图 图 5 压力分布 曲线 图 6 a 为 4 6 ％叶高处导叶表面的等熵马赫数分布曲 线， 可以看到冷气喷射对叶片表面马赫数的影响与对静压 的影响相对应。在冷却孔附近马赫数出现了较明显的振 动， 射流前马赫数降低， 射流后马赫数增大 ， 叶片吸力面的 马赫数变化比压力面较为明显。由于前缘靠近吸力面侧 开设两排冷却孔 ， 喷射的冷气对吸力面侧的主流阻碍作用 非常的明显， 马赫数波动较大。图6 b 为马赫数局部放 大图， 可以更清楚的看到随着冷气径向喷射角的减小， 冷 却孔附近的马赫数振动幅度也减小。 0 ． 4 0-3 星 o ． 2 O ． 1 0 ⋯●⋯ 。 DO ． 5 N 1 2 A3 0 一，- 一 DO ． 5 N 1 2 A4 5 ▲T 、 n C T 1 1 n n ● T ⋯ 1 1 l ⋯， v ● DO ． 5 N1 2 A6 0 一● -- No Co o l i n g r 一 ． ⋯ ” ， 譬 雕 _ O 0 ．2 0 ． 4 0 ． 6 0 ． 8 1 ．0 流向 a 4 6 ％P -] - 高 ． ◆ ／ ， 益 一 I 广 、 - I 柳 ⋯ _ _ -． 1 ， 一 _ ● w v , l p l l A 1 0 a 4 6 ％口 十 高 图 b 线 h t t p ／ ／ Z Z H D ． c h i n a j o u rna 1 ． n e L c n E - m a i l Z Z H D c h a i n a j o u r n a 1 ． n e t _ c n 机械制造与自动化 ∞ 台 山 ∞ 8 6 4 O 吡星 O 机械制造 白创军， 等 气膜孔角度对涡轮气动性能影响的数值研究 1 一DO ．5 N 1 0A3 0 一一 h _- ● _ ’1 一 j 一 。 D 。0 ．． 5 NN 。1。0 AA 4 ▲ - ●-●●● 。 ’ } - ． _ ●TO ． 5．0 A9 0 、 ～ 。_ 、 。 - ●__●_●_ ． 、 0 ＼ ●⋯●● 毫 T 、 图 1 4 级效率与冷却流量 的关 系 4 结论 本文数值模拟了4种不同径向射流角冷却涡轮模型， 研究了不同冷却流量对叶片冷却效果、 叶栅损失和涡轮级 性能的影响， 详细分析了在设计冷却流量条件下， 不同径 向射流角的变化对叶片表面气动参数和冷却效率的影响， 以及分析了冷气掺混机理 ， 得到如下主要结论 1 冷气喷射仅对冷却孔附近区域的压力、 马赫数影 响较大， 马赫数变化比静压变化要明显 ， 其余区域与非冷 却涡轮叶片的分布相似。随着冷气径向喷射角的减小， 冷 却孔附近区域的静压、 马赫数振动幅度也减弱。 2 随着冷却流量的增加， 叶片表面的温度也随之降 低， 但温度降幅逐渐减小。径向喷射角的减小， 叶片表面 的冷却效果越好。 3 总压损失系数和能量损失系数随着冷气流量的增 大而增加。在相同冷气流量进 口条件下 ， 总压损失系数 比 能量损失系数偏大 4 2 ％左右， 且径向射流角的减小 ， 相应 模型的总压损失和能力损失也都增大。 4 导叶进口流量和涡轮级效率随着冷却流量的增加 而减小。在相同冷气流量条件下 ， 涡轮级效率随着前缘径 向射流角的减小而降低。 参考文献 [ 1 ]倪萌 。 朱 惠人 ， 等． 航空发动机 涡轮 叶片冷却技术综述 [ J ] ． 燃 气轮机技术 。 2 o 0 5 ， 1 8 4 2 5 3 8 ． [ 2 ]韩介勤 ， 桑地普 ． 杜达 ， 斯瑞 纳斯． 艾 卡德 著 ； 程 代京 ， 谢永 慧 译． 燃气轮机传热和冷却技术 [ M] ． 西安 西安交通大学出 版社 ， 2 0 0 5 ． [ 3 ]G a r g V K，G a u g l e r R E ．E f f e c t o f c o o l a n t t e m p e r a t u r e a n d m a s s fl o w o n fi l m c o o l i n g o f t u r b i n e b l a d e s 『 J ] ．I n t e r n a t i o n a l J o u rna l o f He a t Ma s s Tr a ns f e r ，1 9 9 7， 4 0 4 3 5 4 4 5． [ 4 ]Y o r k W D，L e y l e k J H． L e a d i n g e d g e fi l m c o o l i n g p h y s i c s P a r t I A d i a b a t i c e f f e c t i v e n e s s[ J] A S ME P a p e r ，2 0 0 2 ，2 0 0 2 G T 3 01 6 6 ． [ 5 ]姜澎 ， 陈凯 ， 孙阳， 等． 冷却 流量变化对 叶栅冷却 效果影 响的 数值模拟[ J ] ． 推进技术 ，2 0 0 9 ，3 0 5 5 6 1 6 0 5 ． [ 6 ]李少华 ， 张玲 ， 朱励 ， 等．涡轮叶片前缘 气膜冷 却的流线 分析 [ J ] ． 中国电机工程学报 ， 2 0 1 0 ， 3 0 1 4 9 6 1 0 1 ． [ 7 ]戴萍 ， 林枫． 涡轮叶片前缘 气膜冷却数值模 拟 [ J ] ． 航 空动力 学报 ， 2 0 0 9 ， 2 4 3 5 1 9 5 2 5 ． [ 8 ]雷云涛 ， 林 智荣 ， 袁新 ． 透平 叶片前缘双排交错孔气膜 冷却数 值模拟[ J ] ． 清华大学学报 自然科学版 ， 2 0 1 0 ， 5 0 1 1 1 8 4 3 1 8 4 7． [ 9 ]I t o ，S ． ，E e k e r t ，E ． R ． ， and G o l d s t e i n ，R ． J ． ，1 9 8 0 ，“ A e r o d y n a mic L o s s i n a Ga s Tu r b i n e S t a g e Wi t h F i l m- Co o l i n g． ” AS ME J ． E n g ．P o we r ，1 0 2，P P． 9 6 4 9 7 0． [ 1 O ]张漫， 乔渭阳， 曾军， 等． 考虑冷气掺混的涡轮气动性能数值 研究 [ J ] ． 航空学报 ， 2 0 0 6 ， 2 7 6 9 9 9 1 0 0 4 ． [ 1 1 ]姚玉 ， 张靖周 ， 何飞 ， 等． 涡轮叶片吸力面上收敛缝形孔气 膜 冷却对叶栅气动损失的影响[ J ] ． 航空学报， 2 0 1 0 ， 3 1 7 1 31 2 1 31 7 ． [ 1 2 ]陈浮 ， 杨科 ， 王松涛 ， 等． 叶片前缘喷气对 大转角涡轮平 面叶 栅气 动性能 的影响 [ J ] ． 推进 技术 ， 2 0 0 4 ， 2 5 2 1 2 6 1 2 9 ． [ 1 3 ]孟 军强． 基 于 NU R B S的涡轮 叶片造型技术研究 [ D] ． 南京 南京航空航 天大学 ， 2 0 0 7 ． [ 1 4 ]徐伟祖 ． 叶轮机 C F D网格 预处理研究 [ D] ． 南京 南京航 空 航 天大学 ， 2 0 0 8 ． [ 1 5 ]刘 飞． 涡轮冷却叶片 C F D网格生成 [ D] ． 南京 南京航 空航 天大学， 2 0 0 9 ． [ 1 6] AN S YS T u r b o G r i d U s e r S G u i d e A N S Y S Tur b o G r i d Wo r k fl o w， T o p o l o g y [ E B ／ O L] ． [ 1 7 ]航 空发动机设计 手册第 1 O册 涡 轮[ M] ． 北京 航 空工业 出 版社 ． 2 0 0 1 6 0 6 1 ． [ 1 8 ] 葛绍岩， 刘登瀛， 徐靖中， 等． 气膜冷却[ M] ． 北京 科学出版 社 ， 1 9 8 5 ． 收稿 日期 2 0 1 3 0 31 9 上接第 6页 参考文献 [ 1 ]徐勇军 ， 刘禹 ， 王峰． 物联网关键技术 [ M] ． 北 京 电子工业 出 版社 ， 2 0 1 2 ． [ 2 ]周翔， 何明， 夏利锋． 物联网与工程机械[ M] ． 北京 电子工业 出版社 ． 2 0 1 2 ． [ 3 ]吴亚林， 王劲松． 物联网用传感器 [ M] ． 北京 电子工业出版 社 ． 2 0 1 2 ． Ma c h i n e B u il d i n g 8 A u t o m a t i o n ， J ． n 2 0 1 3 ， 4 2 5 1 0 1 5 [ 4 ]雷吉成． 物联网安全技术 [ M] ． 北京 电子工业出版社 ， 2 0 1 2 ． [ 5 ]芮延年． 机械设计 手册 第五版 第 4 7篇 并行设计与协 同设计 [ M] ． 北京 机械工业 出版社 ， 2 0 1 0 ． [ 6 ]S e l f O p t i mi z i n g N e t w o r k s T h e B e n e f i t s o f S O N i n L T E ． 4 G A m e r i c as w h i t e p a p e r ， j u l y 2 0 1 1 ． [ 7 ]D ． K i fi t s i s ． C l o s e d - 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