燃?xì)廨啓C(jī)全氣膜非定常冷卻特性及泛冷卻效應(yīng)研究

燃?xì)廨啓C(jī)全氣膜非定常冷卻特性及泛冷卻效應(yīng)研究

0燃?xì)廨啓C(jī)泛冷卻的概念為了滿足更大的輸出和更高的效率要求，電機(jī)的初溫逐漸增加，增長率超過了耐寒材料的發(fā)展速度。因此，冷卻所需的空氣量也隨著著逐步增加的趨勢而逐漸增加?，F(xiàn)代F級(jí)重型燃機(jī)的冷卻空氣量已占到壓氣機(jī)進(jìn)氣量的18%,而初溫達(dá)1500℃、1600℃的H級(jí)、J級(jí)全空冷燃機(jī)的冷卻空氣將達(dá)到壓力機(jī)進(jìn)氣量的20%以上,冷卻技術(shù)的作用日益凸顯。燃?xì)廨啓C(jī)泛冷卻是指燃?xì)廨啓C(jī)透平冷卻氣體出流在非設(shè)計(jì)位置所引起的附加效果。泛冷卻的概念源自英文“phantomcooling”,該名詞出自Roback等人在1993年發(fā)表的關(guān)于“hotstreakandphantomcooling”的文章。Roback等人通過實(shí)驗(yàn)和模型研究了燃燒室產(chǎn)生的熱斑通過靜葉后對(duì)下游動(dòng)葉的影響,而通過靜葉葉身氣膜及尾緣噴射可以削弱熱斑對(duì)動(dòng)葉的負(fù)面作用,由此提出“phantomcooling”。作者在此基礎(chǔ)上總結(jié)和延伸,提出了燃?xì)廨啓C(jī)泛冷卻概念。第一級(jí)透平中主要的泛冷卻因素包括燃燒室與靜葉間環(huán)縫密封出流、安裝間隙泄漏對(duì)靜葉葉身及端壁,動(dòng)靜葉間輪緣密封出流、靜葉全氣膜及尾緣噴射對(duì)動(dòng)葉及平臺(tái)等透平冷卻氣體出流在非設(shè)計(jì)位置所引起的附加效果,如圖1所示。本文是該部分工作的第二部分,采用三維非定常數(shù)值計(jì)算某重型燃?xì)廨啓C(jī)第一級(jí)透平的全氣膜冷卻特性,關(guān)注級(jí)環(huán)境下動(dòng)葉表面與動(dòng)葉平臺(tái)的氣膜冷卻特性,以及動(dòng)靜葉間隙輪緣密封出流在下游動(dòng)葉柵中所形成的泛冷卻效應(yīng)。1計(jì)算數(shù)值的方法和數(shù)值驗(yàn)證1.1算例1:分塊結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格計(jì)算幾何模型是某重型燃機(jī)第一級(jí)原尺寸透平葉柵,為了使得動(dòng)靜葉計(jì)算域在周向尺寸上盡可能匹配且控制計(jì)算資源需求量,幾何模型包括一個(gè)靜葉和兩個(gè)動(dòng)葉及它們相應(yīng)的冷卻結(jié)構(gòu),如圖2所示。本計(jì)算采用分塊結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格,經(jīng)網(wǎng)格無關(guān)解驗(yàn)證后最終采用的網(wǎng)格數(shù)約為1700萬,計(jì)算域網(wǎng)格示意圖如圖3所示。第一層網(wǎng)格的y+除了氣膜孔出口很小區(qū)域外,基本都在1以內(nèi),滿足所采用湍流模型對(duì)邊界層網(wǎng)格的要求。1.2基本設(shè)定計(jì)算的邊界條件設(shè)定采用了該重型燃機(jī)的設(shè)計(jì)工況,其基本設(shè)定如表1所示。計(jì)算工況如表2所示,Mx是相應(yīng)部件設(shè)計(jì)工況下的冷氣質(zhì)量流量,各下標(biāo)意義可參見本系列文章的partone部分。1.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析由于本研究對(duì)象是未公開葉形,目前還沒有相應(yīng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)表,因而計(jì)算驗(yàn)證采用間接驗(yàn)證,即將本計(jì)算方法應(yīng)用于公開葉形C3X的計(jì)算,并與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相對(duì)比,從而對(duì)數(shù)值計(jì)算進(jìn)行驗(yàn)證。圖4(a)是采用壓力敏感漆(PSP)實(shí)驗(yàn)技術(shù)測量的絕熱氣膜冷卻有效度結(jié)果,圖4(b)是同工況的計(jì)算結(jié)果。從圖中第一排孔到下游60倍孔徑區(qū)域內(nèi)的比較看,該數(shù)值計(jì)算方法能夠很好地捕捉氣膜在葉片表面的覆蓋,但在定量上由于湍流模型對(duì)冷氣擴(kuò)散和摻混預(yù)測欠缺,使得計(jì)算預(yù)測孔出口附近冷卻覆蓋區(qū)較小,而在下游遠(yuǎn)端(x/D>40)有大量冷氣積累,冷卻效果畸高。2結(jié)果與討論2.1地主流溫度、壁面保證溫度和確定絕熱氣膜冷卻效率的原始定義如式(1)其中Tf、Taw和Tc分別是當(dāng)?shù)刂髁骰謴?fù)溫度、壁面絕熱溫度和冷氣溫度。在這里,主流恢復(fù)溫度采用靜葉無氣膜時(shí)動(dòng)葉柵進(jìn)口平均溫度Tb,inlet代替,動(dòng)葉柵中的氣膜冷卻效率為其中Tb,aw和Tb,c分別是動(dòng)葉柵中的絕熱壁面溫度和冷氣溫度。2.2動(dòng)葉表面壓力場動(dòng)葉中截面在不同時(shí)刻的壓力分布如圖5所示,在動(dòng)葉轉(zhuǎn)過一個(gè)靜葉柵距的時(shí)間周期內(nèi),動(dòng)葉表面壓壓力呈現(xiàn)出強(qiáng)非定常性,其主要表征了上游靜葉尾跡對(duì)下游動(dòng)葉柵壓力場的影響。2.3動(dòng)葉表面氣膜冷卻分布圖6和圖7分別是不同時(shí)刻和不同工況動(dòng)葉前緣與壓力面的氣膜冷卻效率分布。除了壓力場,上游尾跡亦對(duì)動(dòng)葉表面氣膜冷卻分布亦具有重要影響。動(dòng)葉前緣滯止線在上游尾跡影響下左右偏移,使得前緣中間一排氣膜孔冷氣噴出后隨時(shí)間左右偏轉(zhuǎn),如圖6所示,從而影響前緣性。此外從圖6(c)與圖7的對(duì)比中可知,靜葉全氣膜對(duì)動(dòng)葉表面氣膜亦有重要影響,其整體降低動(dòng)葉表面絕熱溫度并提高其均勻性。2.4輪緣密封出流從圖8可以看出,相比于只有動(dòng)葉葉身全氣膜(case3)情況,輪緣密封出流(case4)除了在動(dòng)葉平-臺(tái)上形成氣膜覆蓋外,其在動(dòng)葉吸力面葉根區(qū)形成泛冷卻效應(yīng),且考慮上游靜葉全氣膜(case5)時(shí),該區(qū)域的泛冷卻效用明顯加強(qiáng)。2.5泛冷卻效應(yīng)對(duì)比圖9是動(dòng)靜葉間隙輪緣密封出流在動(dòng)葉柵中所形成的泛冷卻效應(yīng)和燃燒室與靜葉間環(huán)縫密封出流在靜葉柵中所形成泛冷卻效應(yīng)的對(duì)比。由于同時(shí)受到輪緣密封出流與靜葉氣膜射流兩大因素的共同作用,動(dòng)葉柵中泛冷卻的作用范圍更寬,效率更高,設(shè)計(jì)工況下局部最大泛冷卻效率高達(dá)0.2。3氣膜冷卻特性采用三維非定常數(shù)值計(jì)算某重型燃?xì)廨啓C(jī)第一級(jí)透平的全氣膜冷卻特性,提出了燃?xì)廨啓C(jī)泛冷卻概念并探討級(jí)環(huán)境下動(dòng)葉表面與動(dòng)葉平臺(tái)的氣膜冷卻非定常特性,以及動(dòng)靜葉間隙輪緣密封出流在下游動(dòng)葉柵中所形成的泛冷卻效應(yīng)。燃?xì)廨啓C(jī)泛冷卻是指燃?xì)廨啓C(jī)透平冷卻氣體出流在非設(shè)計(jì)位置所引起的附加效果