葉片轉(zhuǎn)折角對燃氣渦輪葉片尾緣氣膜冷卻特性的影響.pdf

1、現(xiàn)代高效燃氣輪機渦輪的渦輪前進氣溫度已經(jīng)遠遠高于葉片材料能夠承受的溫限，因此，對葉片采用適當(dāng)?shù)睦鋮s技術(shù)進行冷卻非常重要。通常，葉片的冷卻是通過在葉片內(nèi)設(shè)計冷卻通道對葉片實行對流、沖擊和氣膜冷卻。葉片冷卻中最嚴(yán)峻的部位之一是葉片尾緣，因為根據(jù)氣動力學(xué)的要求這里設(shè)計得最薄，而內(nèi)冷通道也不能對尾緣實施冷卻，一個非常有效的辦法是在內(nèi)冷通道后部設(shè)計一個偏劈縫結(jié)構(gòu)，可以將內(nèi)冷通道的冷氣從偏劈縫引出對葉片尾緣實現(xiàn)氣膜冷卻。 本文根據(jù)渦輪葉片尾

2、緣冷卻的設(shè)計要求和實際工作情況，重點分析了葉片轉(zhuǎn)折角對尾緣氣膜冷卻特性的影響，即考慮了燃氣主流與葉片尾緣存在夾角后尾緣氣膜冷卻和流動阻力特性的變化情況。 首先本文對前人工作進行了回顧，從不同的角度分析了渦輪葉片冷卻的研究進展情況，指出了現(xiàn)有文獻對葉片尾緣冷卻研究的不足，提出了本文研究的要點：由于葉片轉(zhuǎn)折角的存在導(dǎo)致了葉片尾緣面受燃氣主流的沖擊，實驗和數(shù)值模擬分析了這種燃氣來流方向與尾緣存在一定夾角時對尾緣氣膜冷卻特性的影響。

3、 然后本文模擬了渦輪葉片尾緣冷卻特有的偏劈縫結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)主要由一楔角為10度的楔形通道組成，通道內(nèi)布置了三排擾流拄，排列方式為叉排，冷氣流流經(jīng)擾流拄后從偏劈縫射出對葉片尾緣段實施冷卻。通過三維數(shù)值模擬對此結(jié)構(gòu)的葉片尾緣氣膜冷卻進行了計算分析，主要考慮了六種影響尾緣溫度特性的參數(shù)，它們分別是尾緣長度（ 4，5，6，7，8，9，10）；偏劈縫的長度與間距比（ 0.4，0.45，0.5，0.55，0.6，0.65，0.7）；偏劈縫長寬比（

4、 2.5，3，3.5，4，4.5，5，5.5）；冷氣流出氣角（ 0°，2°，4°，6°，8°，10°）；吹風(fēng)比（ 0.7，0.77，0.81，0.91，1.04，1.18，1.44）和冷氣流雷諾數(shù)（ 3000~30000）。計算分析了以上參數(shù)變化對尾緣面溫度分布和冷卻效果以及流動阻力的影響情況，計算表明尾緣面上的溫度最低點在尾緣段的中前部而并不是在冷氣流出口處；溫度最高點在尾緣端部葉背一側(cè)，而并非在尾緣正端部處；當(dāng)冷氣雷諾數(shù)達到某一數(shù)值

5、后，繼續(xù)增加雷諾數(shù)不能進一步提高尾緣段的氣膜冷卻效果等結(jié)論。 在以上研究基礎(chǔ)上，本文從實驗和數(shù)值模擬兩方面詳細研究了葉片轉(zhuǎn)折角對尾緣氣膜冷卻特性的影響，這部分是全文的重點。實驗在吹風(fēng)比為1，冷氣流雷諾數(shù)為3000和6000條件下進行，針對不同的燃氣來流與葉片尾緣夾角（0°，2°，4°，6°，8°，10°，12°，14°，16°，18°，20°）進行了實驗，為了分析葉片尾緣的絕熱壁面有效溫比，將尾緣材料由金屬鋁板更換成絕熱板后重復(fù)

6、上述實驗，一共對44組工況進行了實驗研究，實驗數(shù)據(jù)主要分析了溫度、氣膜冷卻效果和冷卻效率以及絕熱壁面有效溫比在尾緣上的分布情況，實驗研究得到的結(jié)論主要有葉片尾緣氣膜冷卻的平均冷卻效果隨冷氣流雷諾的增大而升高，隨葉片轉(zhuǎn)折角的增大也逐漸升高；葉片尾緣氣膜冷卻的平均冷卻效率隨冷氣流雷諾的增大反而降低，隨葉片轉(zhuǎn)折角的增大微弱升高；絕熱壁面葉片尾緣氣膜冷卻的平均絕熱壁面有效溫比隨冷氣流雷諾數(shù)的增大而增大，而基本不隨葉片轉(zhuǎn)折角的影響等。數(shù)值模擬工況

7、與實驗完全相同，計算結(jié)果較好的與實驗數(shù)據(jù)相吻合，通過對變化曲線的擬合分析得到了與實驗相同的結(jié)論，并進一步分析了流動阻力情況，得到了冷卻效果的提高是以增大流動阻力為代價的結(jié)論。 再接下來本文分析了這種偏劈縫楔形通道中擾流拄形狀對通道內(nèi)部流動換熱的影響，在擾流拄體積和高度的相等的前提下，對限定方程進行離散，計算得到了一種擁有最佳形狀的曲線擾流拄，證明了由這種擾流拄組成的通道換熱量是同樣條件下所有擾流拄中最好的。 最后，文章對