旋转叶片气膜冷却效果的数值研究

模拟动叶气膜冷却。本文计算过程中采用标准 k-ε
紊流模型结合 SIMPLE 算法，通用控制方程的离散
采用控制容积法，对流项差分格式采用二阶迎风，
能量方程的收敛精度取为 10−6，其它方程的收敛精 度取为 10−4。
通用控制方程如式
∂(ρφ) + div(ρuφ) = div(Γ gradφ) + S
0.0674479 0.0790922
(a) n=0 r/min，M=1
0.0606726
0.0979375 0.0708601
0.0546188
0.0979375
0.141256
(b) n=4 500 r/min，M=1
0.125454
0.123295
0.08138
0.125454 0.185173
0.178973
(c) n=0 r/min，M=1.5
0.157026 0.123869
0.206055 0.255084
0.062515 0.0537472 0.0479813
0.0968755
(a) n=0 r/min，M=1
0.0391471
0.0431171 0.0546188
关键词：旋转叶片；气膜冷却；紊动射流；数值模拟
基金项目：国家自然科学基金项目(50606005)。 Project Supported by National Natural Science Foundation of China(50606005).
0 引言
气膜冷却是燃气轮机高温部件上广泛采用的 有效冷却保护技术，准确预估气膜冷却效果对涡轮 叶片的设计至关重要。目前，国内外学者对气膜冷 却问题的研究主要集中在实验和数值计算两方面， 但多数结果局限于静止平板或静止叶栅内的冷却 效果。
90
3
0.14
4
4
60
了分析气膜孔排相互作用对叶片冷却效果的影响， 每个叶片上设计 3 排气膜孔，其中叶片压力面布置 2 排气膜孔。第 1 排孔(5 个)位于叶片吸力面，第 2 排孔(4 个)和第 3 排孔(5 个)位于叶片压力面。
单个叶片表面网格如图 2 所示，叶片前缘有射 流孔部分采用三角形网格，无射流孔部分采用四边 形网格，叶栅通道入口部分到叶片前缘有射流孔部 分采用四面体形网格，叶栅通道中部采用三棱柱形 网格，出口段为楔形网格。所有壁面第一层网格 y+<1，网格总数为 1 113 867。
实验测量是研究气膜冷却问题的主要方法。 Andreopoulos[1]和 Crabb[2]较早使用热线和激光多普 勒测速仪(LDA)对横向紊动射流问题进行了测量， 分别得到了射流中的平均和脉动速度值。Fric[3]和 Smith[4]等人利用可视化研究技术测量了流场结构。 刘捷[5]采用热色液晶测温法对不同吹风比条件下的 典型单排孔冷却结构的平板气膜冷却特性进行了 实验研究。Mehendale[6]等测量了涡轮叶片上有气膜 孔时的冷却效率及换热系数，并研究了湍流度及密 度比的影响。向安定[7]等对涡轮工作叶片表面不同 位置气膜孔的流量系数进行了系统的测量，在不同 吹风比和雷诺数下测得了流量系数值，并分析了各 种因素对流量系数的影响程度。袁锋[8]采用 PIV 测 速技术分别对旋转和静止两种情况下的气冷涡轮 内部流场进行实验了测量。
以上研究大部分针对某一特定的涡轮级，旋转 速度固定，而旋转叶片以及气膜孔排之间相互作用 对叶片表面温度场影响的研究甚少。因此，本文采 用 CFD 软件 FLUENT，研究了静止和高速旋转、 不同吹风比和气膜孔排等对涡轮叶片表面气膜冷 却效率的影响。
1 几何模型和数值计算方法
1.1 几何模型及网格划分 涡轮叶片计算几何模型如图 1 所示，整级叶栅
84
中国电机工程学报
第 28 卷
单个圆形喷孔横向紊动射流流动进行了数值研究， 模拟了吹风比 M=2.0 工况下的不同截面上的涡量随 时间发展变化的过程。
由于叶栅旋转时的流动和换热机理比静止叶 栅内部复杂得多，而冷气射流与主流掺混对于高压 旋转叶片，问题更加趋于复杂，因此国内外相应的 研究较少。Takeishi 和 Aoki 等[14]分别在静叶栅和旋 转动叶上对叶片表面的气膜冷却效率进行了实验研 究，Garg[15]采用数值计算的方法研究了旋转状态下 叶片表面冷却效率和传热系数的变化。Abhari 和 Epstein[16]指出旋转状态下吸力面和压力面上的换热 是不同于静止状态的。文献[17-18]采用实验和数值 计算的手段对叶片前缘和端部的气膜冷却进行了研 究，分析了旋转对叶片内部流动及换热的影响。
布。从图中可以看出：静止叶片气膜冷却效率随
着射流比的增加而增加；旋转时，从气膜冷却效
率等值线的分布可以看出，冷却气流覆盖压力面
有向叶底方向发展的趋势；静止叶片压力面气膜
冷却效率好于旋转叶片压力面气膜冷却效率，且
分布较均匀。
图 4 给出了对应工况下叶片吸力面气膜冷却效
0.0910278
0.0876551
(1)
∂t
式中：φ为广义变量；Γ为相应于φ的广义扩散系数；
S 为与φ对应的广义源项，在源项 S 中考虑了离心
力，哥氏力和浮升力的影响。
边界条件：主流、射流入口边界给定速度、压
力出口给定静压，壁面采用无滑移壁面边界条件，
叶片转速 n 分别取 0 和 4 500 r/min。主流入口
Re=7.8×105。
第 2 排孔 吸力面 第 3 排孔
压力面
压力面
图 1 涡轮叶片计算模型 Fig. 1 Turbine blade model for simulation
表 1 射流孔参数 Tab. 1 Parameters of jet-holes
编号
S/C
L/D
S1/D
θ/(°)
1
0.16
4
4
45
2
0.02
4
4
旋转叶片气膜冷却效果的数值研究
郭婷婷 1，张玲 2，邹晓辉 1，李少华 1
(1．东北电力大学能源与机械工程学院，吉林省 吉林市 132012； 2．华北电力大学能源与动力工程学院，河北省 保定市 071003)
Numerical Study on the Film Cooling Effect of Rotating Blades
2 计算结果及分析
气膜冷却的吹风比 M 定义为
M = (ρ2V2 ) /(ρ1V1)
(2)
第 29 期
郭婷婷等： 旋转叶片气膜冷却效果的数值研究
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式中：ρ1、V1 为涡轮叶片入口主气流的平均密度和 平均速度；ρ2、V2 为冷却射流的平均密度和平均速 度，主流和射流均采用空气，吹风比 M 取 1 和 1.5。
KEY WORDS: rotating blade; film cooling; turbulent jet; numerical simulation
摘要：采用数值模拟方法研究了静止和旋转涡轮叶片表面不 同工况下的气膜冷却效果，计算给出了吹风比 M=1.0、1.5 等工况下静止和旋转叶片压力面、吸力面的气膜冷却效率， 以及不同射流孔下游的气膜冷却效率，并分析了旋转和吹风 比对气膜冷却效果的影响。结果表明：静止叶栅，M=1 时 叶片气膜冷却效果较好，旋转叶栅，M=1.5 时叶片气膜冷却 效果较好；叶栅在高速旋转时，冷却气流对射流孔附近区域 影响不大，叶片尾缘附近气膜冷却效率呈现先增大后减小的 趋势；叶片高速旋转时，产生的离心力使冷却气流流向叶顶 区域，靠近叶顶区域的气膜冷却效率值较高。
ABSTRACT: Film cooling effectiveness of rotating turbine blades was investigated by numerical simulation. Calculations of turbine stationary and moving blades were carried out under the conditions of different blowing rate M=1.0, 1.5, the results of film cooling efficiency on pressure and suction surfaces were given and analyzed. Calculation results show that stationary cascade, the film cooling efficiency is better when blowing rate M=1, while rotation turbine, the film cooling efficiency is better at M=1.5; Cascades with high rotation speed, the cooling effect near the jet-hole area is weak, and the film cooling efficiency increases at first and then decreases near the trailing edge; When the blades rotate with high speed, because of the centrifugal force ,the cooling air flow towards blade tip, and the values of the film cooling efficiency are higher around the blade tip region.
GUO Ting-ting1, ZHANG Ling2, ZOU Xiao-hui1, LI Shao-hua1
(1. Institute for Energy and Mechanical Engineering, Northeast Dianli University, Jilin 132012, Jilin Province, China; 2. School of Energy and Power Engineering, North China Electric Power University, Baoding 071003, Hebei Province, China)