燃?xì)廨啓C全氣膜非定常冷卻特性及泛冷卻效應(yīng)研究

燃?xì)廨啓C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級重型燃機的冷卻空氣量已占到壓氣機進(jìn)氣量的18%,而初溫達(dá)1500℃、1600℃的H級、J級全空冷燃機的冷卻空氣將達(dá)到壓力機進(jìn)氣量的20%以上,冷卻技術(shù)的作用日益凸顯。燃?xì)廨啓C泛冷卻是指燃?xì)廨啓C透平冷卻氣體出流在非設(shè)計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等人通過實驗和模型研究了燃燒室產(chǎn)生的熱斑通過靜葉后對下游動葉的影響,而通過靜葉葉身氣膜及尾緣噴射可以削弱熱斑對動葉的負(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泛冷卻概念。第一級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、安裝間隙泄漏對靜葉葉身及端壁,動靜葉間輪緣密封出流、靜葉全氣膜及尾緣噴射對動葉及平臺等透平冷卻氣體出流在非設(shè)計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)值計算某重型燃?xì)廨啓C第一級透平的全氣膜冷卻特性,關(guān)注級環(huán)境下動葉表面與動葉平臺的氣膜冷卻特性,以及動靜葉間隙輪緣密封出流在下游動葉柵中所形成的泛冷卻效應(yīng)。1計算數(shù)值的方法和數(shù)值驗證1.1算例1:分塊結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格計算幾何模型是某重型燃機第一級原尺寸透平葉柵,為了使得動靜葉計算域在周向尺寸上盡可能匹配且控制計算資源需求量,幾何模型包括一個靜葉和兩個動葉及它們相應(yīng)的冷卻結(jié)構(gòu),如圖2所示。本計算采用分塊結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格,經(jīng)網(wǎng)格無關(guān)解驗證后最終采用的網(wǎng)格數(shù)約為1700萬,計算域網(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邊界層網(wǎng)格的要求。1.2基本設(shè)定計算的邊界條件設(shè)定采用了該重型燃機的設(shè)計工況,其基本設(shè)定如表1所示。計算工況如表2所示,Mx是相應(yīng)部件設(shè)計工況下的冷氣質(zhì)量流量,各下標(biāo)意義可參見本系列文章的partone部分。1.3實驗結(jié)果與分析由于本研究對象是未公開葉形,目前還沒有相應(yīng)實驗數(shù)據(jù)發(fā)表,因而計算驗證采用間接驗證,即將本計算方法應(yīng)用于公開葉形C3X的計算,并與實驗數(shù)據(jù)相對比,從而對數(shù)值計算進(jìn)行驗證。圖4(a)是采用壓力敏感漆(PSP)實驗技術(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冷氣擴散和摻混預(yù)測欠缺,使得計算預(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動葉柵進(jìn)口平均溫度Tb,inlet代替,動葉柵中的氣膜冷卻效率為其中Tb,aw和Tb,c分別是動葉柵中的絕熱壁面溫度和冷氣溫度。2.2動葉表面壓力場動葉中截面在不同時刻的壓力分布如圖5所示,在動葉轉(zhuǎn)過一個靜葉柵距的時間周期內(nèi),動葉表面壓壓力呈現(xiàn)出強非定常性,其主要表征了上游靜葉尾跡對下游動葉柵壓力場的影響。2.3動葉表面氣膜冷卻分布圖6和圖7分別是不同時刻和不同工況動葉前緣與壓力面的氣膜冷卻效率分布。除了壓力場,上游尾跡亦對動葉表面氣膜冷卻分布亦具有重要影響。動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的對比中可知,靜葉全氣膜對動葉表面氣膜亦有重要影響,其整體降低動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,相比于只有動葉葉身全氣膜(case3)情況,輪緣密封出流(case4)除了在動葉平-臺上形成氣膜覆蓋外,其在動葉吸力面葉根區(qū)形成泛冷卻效應(yīng),且考慮上游靜葉全氣膜(case5)時,該區(qū)域的泛冷卻效用明顯加強。2.5泛冷卻效應(yīng)對比圖9是動靜葉間隙輪緣密封出流在動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)的對比。由于同時受到輪緣密封出流與靜葉氣膜射流兩大因素的共同作用,動葉柵中泛冷卻的作用范圍更寬,效率更高,設(shè)計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)值計算某重型燃?xì)廨啓C第一級透平的全氣膜冷卻特性,提出了燃?xì)廨啓C泛冷卻概念并探討級環(huán)境下動葉表面與動葉平臺的氣膜冷卻非定常特性,以及動靜葉間隙輪緣密封出流在下游動葉柵中所形成的泛冷卻效應(yīng)。燃?xì)廨啓C泛冷卻是指燃?xì)廨啓C透平冷卻氣體出流在非設(shè)計位置所引起的附加效果