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燃气轮机叶片冷却温度场仿真与分析
摘 要：
21世纪之后，随着机械行业发展的突飞猛进，其主要动力源发动机的发展也备受关注。就世界各国而言，动力装置在农业、航空、国防等众多领域都处于举足轻重的地位。然而，随着地球有限资源的限制、生态环境的不断恶化，节能减排绿色发展已成为动力装置发展的巨大挑战。
迄今为止，随着燃气轮机的迅猛发展及相关领域技术的不断完善，冷却技术已经成为提高动力效率和降低能耗的最有效经济的途径之一。燃气轮机叶片作为其尤为重要的一个部件，因其工作环境非常恶劣，任何设计和制造中的缺陷都可能导致工作效率的降低，甚至带来重大的经济损失，其叶片的性能对整个燃气轮机的性能具有重要影响[2]。在叶片材料上使用新型具有良好抗高温腐蚀，抗低周热疲劳及抗叶片蠕变的镍基合金材料外，同时还要在叶片等高温部件上使用先进的冷却技术。在一些发达国家燃气轮机叶片冷却技术已经得到了突飞猛进的发展并且继续保持强劲的发展势头。
气膜冷却技术的发展大概兴起于70年代末期，该技术已经在燃气轮机、涡轮机等叶片冷却中得到了广泛的应用。但是，目前我国对叶片温度场的分布特点研究多局限于宏观实验，实验方法虽然可以得到其大概分布，但其中的微观流态很难得到反映，对冷却技术的改进和发展存在限制。
随着机械行业的迅猛发展,燃气轮机得到了越来越广泛的应用,冷却技术已经成为提高动力效率的最有效的经济途径之一。因此研究燃气轮机叶片气膜冷却的流动与传热特性对燃气轮机叶片的改进具有重要的指导意义。本文采用标准k-紊流方程，基于SIMPLE算法，结合有限体积法对控制方程进行离散，对常规圆柱形单孔排布结构的叶片在主流速度分别为2m/s、5m/s和10m/s，温度为1300K的主流环境中叶片的温度分布情况进行了模拟，同时研究了大小射流孔交替排列，对气膜冷却效率的影响，并与常规圆柱形射流孔排布结构的气膜冷却进行了分析和对比。而且研究了不同冷气入口速度时叶片的温度分布情况。最后得出本文研究结论，对燃气轮机气膜冷却的改进提出了意见，以达到提高叶片使用寿命的目的。主流速度对气膜冷却影响数值模拟的建模及计算过程
1.1 结构参数设置
表1.1
燃气轮机叶片结构尺寸参数表
名称 叶片高度 冷气孔半径 射流孔半径 各排射流孔个数 射流孔间距 叶片前缘射流孔角度 叶片压力面射流孔角度 叶片吸力面射流孔角度
数值 20mm 6mm 1.5mm 4 4.5mm 90° 60° 15°
1.2 模拟结果与分析
(1)首先观察比较当主流速度分别为2m/s、5m/s和10m/s时，叶片压力面温度场分别如图1.1、图1.2和图1.2所示。
比较三个不同主流速度下叶片压力面温度场，可以发现：当主流速度为2m/s时，整个叶片压力面的温度最低。但随着无量纲距离x/d的增加，叶片温度越高，最高温度出现在叶片尾端。同样，当主流速度分别为5m/s和10m/s时，叶片压力面的温度分布情况与上述情况相同，温度最高的部分都是出现在叶片的尾部。但纵向比较三个叶片，可以发现，主流速度越大，叶片压力面的整体温度越高。说明：由于主流的存在，会影响叶片表面的气膜覆盖情况，会使射流偏离叶片表面，主流速度越大，对射流的影响也就越大，所以会出现主流速度越大叶片压力面温度越高的。
图1.1 主流速度为2m/s时叶片压力面温度场
图1.2 主流速度为5m/s时叶片压力面温度场
图1.3 主流速度为10m/s时叶片压力面温度场
(2)观察比较当主流速度分别为2m/s、5m/s和10m/s时，叶片吸力面的温度场。分别用下图的图1.4、1.5和1.6所示。
图1.4 主流速度为2m/s时叶片吸力面温度场
图3.5 主流速度为5m/s时叶片吸力面温度场
观察比较三个不同主流速度下的叶片吸力面的温度场。观察发现：在吸力面射流孔之后的区域，叶片温度会随着无量纲距离x/d的值的增加而增加，这是因为随着x/d的增加，气膜厚度减小，而且主流与射流的掺混作用越强，所以冷却效率越低，叶片的温度越高。在吸力面射流孔之前叶片的温度较高，这是因为叶片前缘射流孔的分布及角度问题，导致这部分没有气膜覆盖，所以这部分的温度会比较高。如图可以清楚的看出气膜冷却的效果。
图1.6 主流速度为10m/s时叶片吸力面温度场
(3)观察比较当主流速度分别为2m/s、5m/s和10m/s时，叶片前缘的温度场。分别用下图的图1.7、1.8和1.9所示。
图1.7 主流速度为2m/s时叶片前缘温度场
图1.8 主流速度为5m/s时叶片前缘温度场
图1.9 主流速度为10m/s时叶片前缘温度场
观察三不同个流速下的叶片前缘温度场,可以发现随着主流速度的增大，叶片前缘部分的温度依次升高。产生这种温度分布的原因和上述原因一样，都是因为主流速度越大，对射流的扰动越大，所以叶片温度就越高。大小射流孔相间排列对气膜冷却影响数值模拟的建模和计算过程
2.1 结构参数设置
本章将对燃气轮机叶片气膜冷却的数值模拟，依旧是顺流情况下的模拟，但这次的模型将改为大小射流孔交替分布，观察比较这种情况下叶片压力面、吸力面和前缘的温度和压力分布。
如图2.1所示，是本章所用模拟叶片气膜冷却的叶片结构的实体示意图和三维造型。各个部分的作用同第三章，在此不再详细介绍。
图2.1 大小射流孔交替排列模型
燃气轮机叶片中冷气孔和射流孔的尺寸大小决定了气膜冷却的效果，叶片尺寸如表2.1所示。
表2.1 叶片结构尺寸参数表
名称 叶高 冷气空半径 大射流孔半径 小射流孔半径 大射流孔个数 小射流孔个数 射流孔间距 叶片前缘射流角度 叶片压力面射流角度 叶片吸力面射流角度
数值 30mm 6mm 2mm 1mm 4 3 4mm 20° 60° 20°
2.2 模拟结果与分析(1)首先观察比较当主流速度分别为2m/s、5m/s和10m/s时，叶片压力面温度场分别如图2.2、图2.3和图2.4所示。
图2.2 主流温度为2m/s时叶片压力面温度分布
比较三种不同主流速度下的叶片压力面温度。可以发现：主流速度越大时，叶片压力面温度越高，原因和上述原因一样，即主流速度越大，对射流的扰动越大，所以冷却效率越低。比较相同主流速度下，叶片压力面的温度分布情况，可以发现：无论主流速度为2m/s、5m/s还是10m/s时，大小孔交替排列的情况下比射流孔孔径大小相同的排布情况的叶片压力面温度低，即大小孔交替排列时气膜冷却的效率高。
图2.3 主流速度为5m/s时压力面温度分布
图2.4 主流速度为10m/s时压力面温度分布
(2)观察比较当主流速度分别为2m/s、5m/s和10m/s时，叶片吸力面的温度场。分别用下图的图2.5、2.6和2.7所示。
比较三个不同主流速度下，大小射流孔交替分布时叶片吸力面温度分布情况。可以发现：主流速度越大，叶片压力面的温度越高。纵向比较相同主流速度，射流孔径不同时叶片压力面温度分布情况，发现大小射流孔交替排布时的气膜冷却效率比相同孔径射流孔排布时气膜冷却效率高。这是因为小孔的存在，增加了冷气对叶片表面展向覆盖宽度，增加了展向冷却效率。
图2.5 主速度为2m/s时叶片吸力面温度分布
图2.6 主流速度为5m.s时吸力面温度分布
图2.7 主流速度为10m/s时叶片吸力面温度分布
图2.8 主流速度为2m/s时叶片前缘温度分布
图2.9 主流速度为5m/s时叶片前缘温度分布
图2.10 主流速度为10 m/s时叶片前缘温度分布
(3)观察比较当主流速度分别为2m/s、5m/s和10m/s时，叶片前缘的温度场。分别用上图的图2.8、2.9和2.10所示。
观察三种情况下的温度分布图，可以发现，相同主流速度时，大小孔径射流孔交替排布的气膜冷却效率比相同孔径的射流孔排布情况的冷却效率高。冷气流的入口速度对气膜冷气效率的影响
3.1 结构参数设置
本章模拟所用模型即第三章中所用的模型,不同的是,本章将研究当冷气流入口速00度不同时,对燃气轮机叶片冷却效率的影响。主流流体依旧选择温度为1300K，速度为4m/s的空气，而冷气流选用温度为300K的空气，但是模拟时入口速度分别设定为1m/s、2m/s和4m/s，设定方法不在此一一赘述。观察不同冷气流入口速度对叶片压力面、叶片吸力面和叶片前缘的温度分布的影响。
3.2 模拟结果与分析
(1)首先观察比较当冷气流入口速度分别为1m/s、2m/s和5m/s时，叶片压力面温度场分别如图3.1、图3.2和图3.3所示。
图3.1冷气流入口速度为1m/s时叶片压力面温度场
图3.2 冷气流入口速度为2m/s时叶片压力面温度场
图3.3 冷气流入口速度为4m/s时叶片压力面温度场
比较当冷气流入口速度不同时叶片压力面温度场分布情况，可以发现：当冷气流入口速度越大时，叶片压力面的温度越低。而且当冷气流入口速度为1m/s和2m/s时叶片压力面的冷却效率随着无量纲距离x/d的增加很快降低，而当冷气流入口速度为4m/s时叶片整体温度较低。这是因为冷气流入口速度越大，在叶片表面形成的冷气膜更替越快，这样就会不断有新的冷空气气膜覆盖在原来的气膜之上，所以叶片压力面的温度会比较低。
(2)观察比较当冷气流入口速度分别为1m/s、2m/s和4m/s时，叶片吸力面的温度分布情况，分别用下图的图3.4、3.5和3.6所示。
图3.4 冷气流入口速度为1m/s时叶片吸力面温度场
图3.5 冷气流入口速度为2m/s时叶片吸力面温度场
图3.6 冷气流入口速度为4m/s时叶片吸力面温度场
比较当冷气流入口速度不同时，叶片吸力面温度场的分布情况，可以发现：当主流速度相同时，冷气流入口速度越大，叶片吸力面的温度越低。原因和上述原因一样。
(3)观察比较当冷气流入口速度分别为1m/s、2m/s和4m/s时，叶片吸力面的温度分布情况，分别用下图的图3.7、3.8和3.9所示。
图3.7 冷气流入口速度为1m/s时叶片前缘温度场
图3.8 冷气流入口速度为2m/s时叶片前缘温度场
比较当主流速度相同，冷气流入口速度不同时，叶片前缘温度场分布情况可以发现叶片前缘温度的分布情况和叶片压力面、叶片吸力面的温度分布情况相同，都是冷气流入口速度越大叶片前缘温度越低。由于射流孔角度和叶片结构的问题，叶片前缘会有一部分不能被气膜覆盖，达不到冷却的效果，所以温度较高。
图3.9 冷气流入口速度为4m/s时叶片前缘温度场
结 论
本文以燃气轮机叶片气膜冷却为工程背景，采用了FLUENT数值模拟的方法研究了单个叶片在三种不同情况下的叶片温度分布情况。可以得出以下结论：
(1)因本文所建立模型中射流孔并没有覆盖整个叶片，所以通过观察整个叶片的温度分布情况，可以发现：气膜冷却可以很有效的降低叶片温度。
(2)当孔排相同时，在主流速度分别为2m/s、5m/s和10m/s时，冷却效率与主流速度成反比例关系，即主流速度越大，对射流速度的扰动越大，所以冷却效率越低。
(3)相同情况下，大小射流孔交替排布时的冷却效率比相同孔径的射流孔排布时，气膜冷却效率要高。
(4)大小射流孔交替排布时，依然遵循射流速度越小，冷却效率越高的原则。
(5)在本文模拟范围内，可以发现：当主流速度保持相同时，冷气射流速度越大时，气膜冷却效率越高。
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以上是本文的一些主要结论，根据这些结论对实际工程中燃气轮机叶片的设计和完善起到了一定的指导作用。由于时间关系，本文在对静叶片压力面和吸力面进行比较和分析时没用控制好入射角度，也没有对两种工质进行研究，所以有很多工作还需要弥补。希望本次模拟对以后的工作提供借鉴。
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