逆流狀況燃?xì)廨啓C(jī)葉片膜式冷卻過(guò)程仿真與分析 李雪峰

1、逆流狀況燃?xì)廨啓C(jī)葉片膜式冷卻過(guò)程仿真與分析摘 要：燃?xì)廨啓C(jī)是一種將燃料燃燒產(chǎn)生的熱能直接轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的回轉(zhuǎn)式動(dòng)力機(jī)械，它的工作工質(zhì)是空氣和燃?xì)狻Ｈ細(xì)廨啓C(jī)廣泛用于航空推進(jìn)、船舶推進(jìn)、地面工業(yè)發(fā)電等能源動(dòng)力領(lǐng)域，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)與國(guó)防建設(shè)中的作用日顯重要。隨著燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)不斷發(fā)展，如何提高燃?xì)廨啓C(jī)的熱效率成為人們?cè)絹?lái)越重視的問(wèn)題。從工程熱力學(xué)可知，燃?xì)廨啓C(jī)的熱效率和功率輸出是隨著燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)口溫度的提高而增加的。當(dāng)代大功率發(fā)電用重型燃?xì)廨啓C(jī)的進(jìn)口溫度已經(jīng)達(dá)到13701470的高溫，而現(xiàn)在先進(jìn)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)透平轉(zhuǎn)子進(jìn)口溫度已經(jīng)高達(dá)16002000，透平前燃?xì)鉁囟热匀辉诓粩嗟靥岣?。高溫在提高燃?xì)廨啓C(jī)效率的同時(shí)，

2、也帶來(lái)一系列負(fù)面問(wèn)題，比如因葉片局部熱負(fù)荷急劇升高而導(dǎo)致熱應(yīng)力增加、使用壽命降低等。提高燃?xì)廨啓C(jī)的進(jìn)口燃?xì)鉁囟仁翘岣呷細(xì)廨啓C(jī)效率的有效手段，為了保護(hù)渦輪葉片免于高溫燃?xì)獾淖茻?，特別是受高溫影響最為嚴(yán)重的第一級(jí)靜葉前緣區(qū)域，必須采取有效的冷卻保護(hù)措施，而氣膜冷卻技術(shù)是冷卻葉片的最有效方法之一。采用數(shù)值模擬方法對(duì)某燃?xì)廨啓C(jī)靜葉前緣的氣膜冷卻進(jìn)行了仿真分析，研究了吹風(fēng)比、射流角和靜葉前緣氣膜冷卻結(jié)構(gòu)對(duì)氣膜冷卻效率的影響。通常影響氣膜冷卻效果的因素有：（1）氣膜孔的幾何參數(shù)，包括氣膜孔的射流角、孔徑大小、孔長(zhǎng)與孔徑比、孔間距、孔出口形狀、孔排布置等；（2）主流和射流的氣動(dòng)參數(shù)，包括主流速度、射流孔射流

3、速度、射流與主流的動(dòng)量比、密度比、射流與主流湍流強(qiáng)度、壓力梯度等；（3）其它因素，包括氣膜孔下游間隙的存在、間隙泄漏等。（戴萍等4）本文運(yùn)用數(shù)值模擬方法，對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)第一級(jí)靜葉前緣氣膜冷卻狀況進(jìn)行仿真數(shù)值模擬，分析比較采用不同吹風(fēng)比和不同射流角時(shí)對(duì)靜葉氣膜冷卻效率的影響，比較得出最佳吹風(fēng)比和射流角。并且在此基礎(chǔ)上，研究孔排布置對(duì)靜葉前緣氣膜冷卻效果的影響，找出最佳的靜葉前緣射流孔排布置。1 燃?xì)廨啓C(jī)靜葉前緣氣膜冷卻的數(shù)值模擬研究如前文所述，燃?xì)廨啓C(jī)葉片氣膜冷卻技術(shù)是通過(guò)在葉片壁面附近引入冷卻氣體，冷卻流體在主流壓力和壁面摩擦力的作用下向下游彎曲，粘附在壁面附近，形成溫度較低的冷卻氣膜，把壁面與高

4、溫燃?xì)飧綦x，并帶走部分高溫燃?xì)鈱?duì)壁面的輻射熱量，從而起到對(duì)壁面的保護(hù)作用。所以準(zhǔn)確預(yù)估氣膜冷卻的效果對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)葉片的設(shè)計(jì)起著至關(guān)重要的作用。葉片的前緣區(qū)域，特別是滯止線附近的區(qū)域，是葉片熱負(fù)荷最高的區(qū)域，所以對(duì)這個(gè)區(qū)域的保護(hù)就顯得尤為重要，這個(gè)區(qū)域也是本文研究的重點(diǎn)區(qū)域。1.1 幾何模型1.1.1 靜葉幾何模型主流方向射流方向逆流狀況順流狀況射流角就是射流氣體入射方向與主流氣體沿葉片壁面切線方向所成的夾角，是影響葉片氣膜冷卻效率的重要因素之一。如圖3-1所示為射流角的示意圖，主流方向?yàn)楦邷貧怏w沿葉片壁面的流動(dòng)方向，為射流孔中心軸線方向與主流方向的夾角，即為本文所述射流角，當(dāng)角為銳角時(shí)，射流與主

5、流為順流狀況；當(dāng)為鈍角時(shí)，射流與主流為逆流狀況，這也是本文所研究的重點(diǎn)。圖1-1 射流角示意圖本文研究的對(duì)象是某燃?xì)廨啓C(jī)第一級(jí)靜葉，靜葉幾何模型如圖3-2所示，主要幾何參數(shù)見(jiàn)表3-1。由于數(shù)值模擬的葉片模型比較復(fù)雜，所以利用三維制圖軟件Proe創(chuàng)建葉片模型，如圖3-3所示。 圖1-2 靜葉幾何模型 圖1-3 靜葉三維模型表1-1 靜葉主要幾何參數(shù)弦長(zhǎng)L3安裝角A4高度H厚度D1230.14mm40°100mm37.9mm1.1.2 氣膜冷卻結(jié)構(gòu)靜葉前緣設(shè)有五排射流孔，共計(jì)98個(gè)，第一排射流孔在葉片吸力面，第二、三、四排射流孔在葉片前緣，第五排射流孔在葉片壓力面。前緣的三排射流孔采用順

6、排布置，后兩排射流孔與相鄰的前排射流孔采用叉排布置，采用三種不同射流角的靜葉模型進(jìn)行對(duì)比研究。由于靜葉前緣幾何結(jié)構(gòu)的限制，如果模型二的射流孔長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)將會(huì)使得第三排射流孔與第二排和第四排相交，所以與模型一和模型三相比，模型二減小了中間三排射流孔的長(zhǎng)度。三種模型的射流孔參數(shù)見(jiàn)表3-2和表3-3，結(jié)構(gòu)如圖3-43-5所示。表1-2 模型一和模型三靜葉前緣射流孔幾何參數(shù)孔排編號(hào)L/DS/DS1（mm）1（模型一）3（模型三）132.520135°45°232.55135°60°332.5090°90°432.55135°60

7、6;532.520135°45°表1-3 模型二靜葉前緣射流孔幾何參數(shù)孔排編號(hào)L/DS/DS1（mm）2（模型二）132.52090°21.82.5590°31.82.5090°41.82.5590°532.52090°L/D：射流孔長(zhǎng)度與射流孔直徑之比S/D：徑向射流孔間距與射流孔直徑之比S1：孔排與前緣滯止線之間沿葉片輪廓的長(zhǎng)度其中，射流孔直徑D=2mm。圖1-4 模型一射流孔圖1-5 模型二射流孔1.1.3 流體流域幾何模型本文中將靜葉的幾何模型導(dǎo)入到ANSYS Workbench Design Modeler中利用布

8、爾運(yùn)算做出主流氣體的流體區(qū)域，如圖3-7所示。流體流域上下邊界為固壁，為了盡可能的模擬真實(shí)葉柵通道環(huán)境，模型部分上邊界為葉片壓力側(cè)壁面，下邊界為葉片吸力側(cè)壁面，左邊界為高溫氣體速度進(jìn)口，右邊界為壓力出口。圖1-6 流體流動(dòng)區(qū)域1.1.4 網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)值模擬模型是在ANSYS Workbench Meshing中劃分的網(wǎng)格，由于葉片有射流孔的存在，劃分結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格比較困難，所以采用了非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格對(duì)計(jì)算流域進(jìn)行網(wǎng)格劃分。根據(jù)計(jì)算流體力學(xué)的特點(diǎn)，ANSYS Workbench Meshing對(duì)葉片壁面附近和射流孔自動(dòng)進(jìn)行了加密處理，如圖1-7所示。射流孔與葉柵通道之間的交界面作為內(nèi)部邊界interor。模

9、型網(wǎng)格的總數(shù)量為150萬(wàn)個(gè)左右，網(wǎng)格劃分如圖1-8所示。圖1-7 網(wǎng)格局部加密圖1-8 整體網(wǎng)格1.2 數(shù)值模擬計(jì)算方法1.2.1 求解器設(shè)置采用基于壓力的分離式求解器，壓力采用SIMPLE算法，湍流模型采用Realizable k-模型，采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法，對(duì)流項(xiàng)差分格式采用一階迎風(fēng)格式。1.2.2 邊界條件設(shè)置定義主流和射流入口為速度入口邊界條件，出口為壓力出口邊界條件，壁面采用無(wú)滑移邊界條件，流體與葉片的傳熱只考慮對(duì)流傳熱，壁面初始溫度為T(mén)w=300K。（1）速度入口邊界條件主流和射流的氣體均采用空氣，主流高溫燃?xì)獾臏囟葹門(mén)，冷卻射流空氣的溫度為T(mén)j，主流的來(lái)流速度為U，射流速度為Uj，

10、定義吹風(fēng)比為，其中j為射流空氣密度，為主流燃?xì)饷芏?。假設(shè)兩種不同溫度的空氣密度相等，則吹風(fēng)比只與主流和射流的速度有關(guān)，即。本文采用三種不同工況下的速度入口邊界條件數(shù)值模擬研究吹風(fēng)比對(duì)模型一氣膜冷卻效果的影響，得出逆流狀況下燃?xì)廨啓C(jī)靜葉前緣氣膜冷卻的最佳吹風(fēng)比。三種不同工況下的速度入口邊界條件見(jiàn)表1-4。表1-4 三種不同吹風(fēng)比的速度入口邊界條件吹風(fēng)比M主流速度U主流溫度T射流速度Uj射流溫度Tjm/sKm/sK0.51515007.53001.0151500153001.515150022.5300（2）壓力出口邊界條件定義葉柵通道出口壓力為101.325kPa，給定沿流動(dòng)各個(gè)方向參數(shù)的一階導(dǎo)

11、數(shù)等于零，即： (1-1)其中u、v、w分別為x、y、z軸方向上的速度；k為湍動(dòng)能；湍動(dòng)能耗散率。3.2.3 評(píng)價(jià)指標(biāo)定義葉片的冷卻效率為： (1-2)其中T為高溫主流燃?xì)鉁囟?，Tw為葉片壁面附近溫度，Tj為冷卻射流空氣溫度。因?yàn)橹髁鳒囟萒和射流溫度Tj都是設(shè)定的固定值，所以葉片的冷卻效率與葉片壁面溫度一一對(duì)應(yīng)，壁面溫度的高低代表著冷卻效率的高低。1.3 數(shù)值計(jì)算結(jié)果與分析通過(guò)對(duì)數(shù)值計(jì)算結(jié)果研究發(fā)現(xiàn)，影響靜葉氣膜冷卻效果的因素主要有吹風(fēng)比、射流角、孔排布置和射流孔幾何結(jié)構(gòu)等，其中吹風(fēng)比是影響氣膜冷卻效果最主要的因素之一，所以首先確定一個(gè)較好的吹風(fēng)比對(duì)研究其他影響因素至關(guān)重要。本節(jié)首先分析研究吹

12、風(fēng)比對(duì)模型一氣膜冷卻的影響，然后再分析研究射流角等其他影響因素。為了能夠更好的比較數(shù)值計(jì)算結(jié)果，使得圖形結(jié)果大小相等并具有可比性，本文中的圖形結(jié)果都是通過(guò)Fluent后處理軟件Tecplot獲得的。3.3.1 吹風(fēng)比對(duì)靜葉前緣氣膜冷卻的影響三種不同吹風(fēng)比的靜葉前緣表面溫度分布云圖如圖1-10、圖1-11和圖1-12所示。通過(guò)對(duì)比可以看出，隨著吹風(fēng)比的增大，靜葉前緣表面溫度隨之降低。當(dāng)吹風(fēng)比M=0.5時(shí)，前緣表面溫度分布很不均勻，冷氣覆蓋效果很差，并且溫度在1300K以上的高溫區(qū)域較多，這將會(huì)加劇靜葉前緣的熱應(yīng)力，從而降低葉片的使用壽命；當(dāng)吹風(fēng)比M=1.0時(shí)，前緣表面溫度分布比較均勻，雖然有很少

13、一部分溫度稍高區(qū)域，但總體上看氣膜冷卻效果較好；當(dāng)吹風(fēng)比M=1.5時(shí)，前緣表面溫度比較低，但是分布不是很均勻，葉片的上端和下端溫度較低。這是由于射流速度較大，導(dǎo)致射流量增大，從而使得大量冷卻空氣覆蓋在葉片前緣表面，最終使得前緣溫度較低。綜上，吹風(fēng)比M=1.0和M=1.5時(shí)，葉片前緣氣膜冷卻效果較好。三種不同吹風(fēng)比的靜葉吸力面溫度分布云圖如圖3-13、圖3-14和圖3-15所示。通過(guò)對(duì)比可以看出，隨著吹風(fēng)比增大，葉片吸力面低溫區(qū)域也隨之增多，氣膜冷卻對(duì)葉片下游的影響區(qū)域逐漸增大。當(dāng)吹風(fēng)比M=0.5時(shí)，第一排和第二排射流孔的下游一段距離內(nèi)葉片的溫度較低，而射流孔之間及其下游一段距離內(nèi)的區(qū)域溫度較高

14、，尤其是第一排與第二排射流孔之間的區(qū)域溫度分布很不均勻，存在較多溫度在1300K以上的高溫區(qū)。這是由于射流速度和射流量較小，冷卻空氣沒(méi)有很好地覆蓋在射流孔間的葉片表面；當(dāng)吹風(fēng)比M=1.0時(shí)，第一排和第二排下游溫度較低，溫度分布較為均勻，只是在第一排和第二排之間有少量溫度較高區(qū)域?？傮w來(lái)說(shuō)，冷卻氣膜覆蓋較為均勻，氣膜冷卻效果較好；當(dāng)吹風(fēng)比M=1.5時(shí)，第一排與第二之間及第一排下游大片區(qū)域葉片溫度較低，溫度分布比較均勻，冷卻氣膜覆蓋區(qū)域比較大，氣膜冷卻效果較好。綜上，吹風(fēng)比M=1.0和M=1.5時(shí)，葉片吸力面氣膜冷卻效果較好。圖1-9 M=0.5前緣溫度云圖 圖1-12 M=0.5吸力面溫度云圖圖

15、1-10 M=1.0前緣溫度云圖 圖1-13 M=1.0吸力面溫度云圖圖1-11 M=1.5前緣溫度云圖 圖1-14 M=1.5吸力面溫度云圖三種不同吹風(fēng)比的靜葉壓力面溫度分布云圖如圖1-16、圖1-17和圖1-18所示。可以看出，隨著吹風(fēng)比增大，葉片壓力面低溫區(qū)域也隨之增多，冷卻氣膜覆蓋區(qū)域逐漸增大。當(dāng)吹風(fēng)比M=0.5時(shí)，第一排和第二排之間有多一半溫度在1200K1300K之間的高溫區(qū)，并且葉片的上端和下端有少量溫度在1300K以上的高溫區(qū)，這可能是由于葉片端部效應(yīng)造成的，氣膜冷卻效果比較差；當(dāng)吹風(fēng)比M=1.0時(shí)，第一排和第二排之間以及第二排下游很長(zhǎng)一段距離內(nèi)葉片表面溫度較低，溫度分布比較均

16、勻，冷卻氣膜覆蓋區(qū)域較大，氣膜冷卻效果較好；當(dāng)吹風(fēng)比M=1.5時(shí)，葉片壓力面上有大部分區(qū)域溫度較低，冷卻氣膜覆蓋區(qū)域大，氣膜冷卻效果好。綜上，吹風(fēng)比M=1.0和M=1.5時(shí)，葉片壓力側(cè)氣膜冷卻效果較好。圖1-15 M=0.5壓力面溫度云圖圖1-16 M=1.0壓力面溫度云圖圖1-17 M=1.5壓力面溫度云圖圖1-19圖1-21和圖1-22圖1-24分別是三種不同吹風(fēng)比條件下靜葉高度H=50mm和H=55mm處截面溫度分布云圖。從圖中可以看出，隨著吹風(fēng)比的增大，冷卻氣膜的厚度隨之增大，氣膜對(duì)葉片的覆蓋區(qū)域也隨之增大。當(dāng)吹風(fēng)比M=0.5時(shí)，氣膜厚度較薄，射流孔排之間有氣膜覆蓋不到的區(qū)域，這是由于

17、射流速度和射流量較小，射流剛射出葉片就在高溫主流壓力和葉片壁面摩擦力的作用下迅速向下彎曲，在到達(dá)下一排射流孔時(shí)，較薄的冷卻氣膜在與高溫主流相互摻雜和傳熱的作用下，溫度已經(jīng)升高，對(duì)某些區(qū)域已經(jīng)起不到保護(hù)作用；當(dāng)吹風(fēng)比M=1.0時(shí)，氣膜厚度適中氣膜冷卻效果比較好，這說(shuō)明此時(shí)的射流速度與主流速度相比較為適中；當(dāng)吹風(fēng)比M=1.5時(shí)，氣膜厚度較厚，冷卻氣膜完全覆蓋在葉片前緣、壓力面和吸力面的大片區(qū)域，這樣雖然能夠很好地保護(hù)葉片，但是大量的冷卻空氣會(huì)降低燃?xì)廨啓C(jī)的效率，所以不宜采用。圖1-18 M=0.5 H=50mm處截面溫度云圖 圖1-21 M=0.5 H=52.5mm處截面溫度云圖圖1-19 M=1

18、.0 H=50mm處截面溫度云圖 圖1-22 M=1.0 H=52.5mm處截面溫度云圖圖1-20 M=1.5 H=50mm處截面溫度云圖 圖1-23 M=1.5 H=52.5mm處截面溫度云圖綜上所述，當(dāng)吹風(fēng)比M=0.5時(shí)，冷卻氣膜厚度較薄，冷卻氣膜不能有效覆蓋葉片前緣及前緣下游區(qū)域，氣膜冷卻效果差；當(dāng)吹風(fēng)比M=1.0時(shí)，冷卻氣膜厚度較為適中，冷卻氣膜能夠有效覆蓋葉片前緣及前緣下游區(qū)域，氣膜冷卻效果好；當(dāng)吹風(fēng)比M=1.5時(shí)，冷卻氣膜厚度較厚，雖然冷卻氣膜能夠完全覆蓋葉片前緣及前緣下游區(qū)域，但是大量冷卻空氣的注入，會(huì)導(dǎo)致燃?xì)廨啓C(jī)的效率大大降低。所以在三種吹風(fēng)比條件下，吹風(fēng)比M=1.0時(shí)，氣膜冷

19、卻綜合效果較好。下文中的吹風(fēng)比均采用M=1.0時(shí)的速度入口條件。1.3.2 射流角對(duì)靜葉前緣氣膜冷卻的影響三種不同射流角靜葉模型的前緣表面溫度分布云圖如圖1-25、圖1-26和圖1-27所示。通過(guò)對(duì)比可以看出，隨著射流角的增大，葉片前緣低溫區(qū)域逐漸增大，溫度分布也隨之均勻。對(duì)模型一來(lái)說(shuō)，葉片前緣表面溫度較低且分布均勻，只是在第二排和第四排射流孔之間有少量點(diǎn)狀溫度稍高區(qū)域，總體上看氣膜冷卻效果較好；對(duì)模型二來(lái)說(shuō)，葉片前緣表面溫度分布不均勻，在第二排和第三排之間有一條溫度在1100K1200K之間的高溫帶，并且在第二排射流孔間有少量溫度在1300K以上的高溫帶，氣膜冷卻效果較差；對(duì)模型三來(lái)說(shuō)，葉片

20、前緣溫度有大量高溫區(qū)域，溫度分布不均勻，在第二排和第三排之間有一條溫度在1100K1200K之間很寬的高溫帶，在第二排射流孔之間有大量溫度在1300K以上的高溫帶，氣膜冷卻效果很差。綜上，三者中模型一的前緣氣膜冷卻效果較好。三種不同射流角靜葉模型的吸力面溫度分布云圖如圖1-28、圖1-29和圖1-30所示。從圖中可以看出，三種葉片模型吸力面下游的溫度分布相差不大，說(shuō)明射流角的改變對(duì)葉片吸力面下游的氣膜冷卻效果影響不大，在第一排和第二排射流孔之間區(qū)域，隨著射流角增大，低溫區(qū)域也隨之增大。對(duì)模型一來(lái)說(shuō)，葉片吸力面的前緣附近區(qū)域溫度較低，分布較為均勻，只是在第一排和第二排射流孔之間有少量高溫區(qū)，總體

21、上看氣膜冷卻效果較好；對(duì)模型二來(lái)說(shuō)，葉片吸力面的前緣附近區(qū)域溫度分布不太均勻，在第一排和第二排射流孔之間有大片溫度在1100K1200K之間的高溫區(qū)，并且分布少量點(diǎn)狀和條狀溫度在1200K1300K之間的高溫區(qū)域，氣膜冷卻效果較差；對(duì)模型三來(lái)說(shuō)，葉片吸力面上有較多明顯的條狀高溫區(qū)，冷卻氣膜沒(méi)有有效覆蓋，氣膜冷卻效果很差。綜上，三者中模型一的吸力面冷卻效果較好。圖1-24 模型一前緣溫度云圖 圖1-27 模型一吸力面溫度云圖圖1-25 模型二前緣溫度云圖 圖1-28 模型二吸力面溫度云圖圖1-26 模型三前緣溫度云圖 圖1-29 模型三吸力面溫度云圖三種不同射流角靜葉模型的壓力面溫度分布云圖如圖

22、1-31、圖1-32和圖1-33所示。從圖中可以看出，除了葉片尾部高溫區(qū)域隨著射流角的增大而增大，三種模型葉片壓力面下游的溫度分布相差不大，第四排和第五排射流孔之間的低溫區(qū)域隨著射流角增大而增大。對(duì)模型一來(lái)說(shuō)，葉片壓力面的前緣附近區(qū)域溫度較低，冷卻氣膜覆蓋較好，氣膜冷卻效果比較好；對(duì)模型二來(lái)說(shuō)，第四排和第五排射流孔之間有溫度在1100K1200K之間的條狀高溫帶，氣膜冷卻效果較差；對(duì)模型三來(lái)說(shuō)，葉片壓力面的前緣附近區(qū)域條狀高溫帶較模型二稍寬些，氣膜冷卻效果較差。綜上，三者中模型一的壓力面氣膜冷卻效果較好。圖1-30 模型一壓力面溫度云圖圖1-31 模型二壓力面溫度云圖圖1-32 模型三壓力面溫

23、度云圖圖1-34圖1-36和圖1-37圖1-39分別是三種模型靜葉高度H=52.5mm和H=50mm處的截面溫度云圖。從圖1-34圖1-36中可以看出，葉片前緣冷卻氣膜厚度隨著射流角的增大而增厚，氣膜厚度的增加使得孔排之間的氣膜覆蓋效果變得更好，這有利于保護(hù)靜葉前緣免于高溫灼燒。模型一前緣滯止線附近的兩排射流孔，其射流角=135°，這樣使得冷卻射流與高溫主流呈逆流狀況，射流在主流的作用下轉(zhuǎn)而沿葉片壁面向下游彎曲，這樣既抬高了來(lái)自上游的高溫主流，同時(shí)也增加了冷卻氣膜的厚度，使得孔排之間得到很好的冷卻氣膜覆蓋。相比模型一，模型二和模型三前緣氣膜厚度隨著射流角減小而減小，這是由于隨著射流角

24、減小，射流對(duì)主流的沖擊影響也隨之減弱。從圖1-37圖1-39中可以看出，后兩排射流孔的冷卻氣膜厚度也隨著射流角的增大而增厚，較厚的氣膜雖然能夠很好得保護(hù)葉片，但同時(shí)也帶來(lái)了負(fù)面影響，較厚的氣膜會(huì)加劇冷卻射流和高溫主流的相互摻雜和傳熱，使得高溫主流溫度降低，即降低了燃?xì)廨啓C(jī)的效率。所以除了靜葉前緣區(qū)域外，靜葉壓力面和吸力面的中下游區(qū)域不宜采用大于90°的射流角。圖1-33 模型一H=52.5mm處截面溫度云圖 圖1-36 模型一H=50mm處截面溫度云圖圖1-34 模型二H=52.5mm處截面溫度云圖 圖1-37 模型二H=50mm處截面溫度云圖圖1-35 模型三H=52.5mm處截面

25、溫度云圖 圖1-38 模型三H=50mm處截面溫度云圖綜上所述，在三種不同射流角模型中，模型一不管是在葉片前緣、吸力面還是壓力面都能獲得較好的氣膜冷卻效果，這是由于模型一的冷卻射流與高溫主流呈逆流狀況，這樣既抬高了上游的高溫主流，又增加了冷卻氣膜的厚度，最終使孔排之間得到很好的氣膜覆蓋。對(duì)于葉片前緣區(qū)域，逆流狀況下的射流能夠很好的保護(hù)葉片，但對(duì)于葉片壓力面和吸力面的中下游區(qū)域，較厚的冷卻氣膜雖然能夠保護(hù)葉片，但同時(shí)也降低了燃?xì)廨啓C(jī)的效率，所以不宜采用射流角為鈍角的射流孔。1.3.3 對(duì)模型一的改進(jìn)設(shè)計(jì)方案從上節(jié)射流角對(duì)靜葉前緣氣膜冷卻的影響中可以看到，靜葉前緣的射流角為鈍角時(shí)，即射流與主流呈逆

26、流狀況時(shí)，冷卻氣膜能夠很好地保護(hù)葉片前緣區(qū)域，并且在葉片壓力面和吸力面的中下游區(qū)域，為了避免過(guò)多降低燃?xì)廨啓C(jī)效率，宜采用為射流角為銳角的射流孔。據(jù)此，我們將模型一的第一排和第五排射流角為135°的射流孔改為射流角為45°的射流孔，其他條件不變，將新的模型叫做模型四。通過(guò)與模型一對(duì)比來(lái)研究葉片前緣下游的射流孔排是否會(huì)對(duì)前緣的氣膜冷卻產(chǎn)生影響，產(chǎn)生怎樣的影響，是否模型四的氣膜冷卻效果會(huì)更好。兩種對(duì)比模型如圖1-40和圖1-41所示。圖1-39 模型一射流孔 圖1-40 模型四射流孔模型一和模型四的吸力面溫度分布云圖如圖1-44和圖1-45所示。從圖中可以看出，模型一和模型四的第

27、一排和第二排射流孔之間都有溫度在1100K1200K之間的條狀高溫帶，但模型四的高溫帶面積要比模型一大很多，兩種模型的吸力面其他區(qū)域溫度分布相差不大。所以模型一的吸力面氣膜冷卻效果較好。模型一和模型四的壓力面溫度分布云圖如圖1-46和圖1-47所示。從圖中可以看出，模型四的上端和下端低溫區(qū)面積比模型一大，說(shuō)明模型四壓力面的氣膜冷卻影響區(qū)域要比模型一大，除此之外，壓力面其他區(qū)域溫度分布相差不大。所以模型四的壓力面氣膜冷卻效果稍好些。圖1-41 模型一前緣溫度云圖 圖1-42 模型四前緣溫度云圖圖1-43 模型一吸力面溫度云圖 圖1-44 模型四吸力面溫度云圖圖1-45 模型一壓力面溫度云圖圖1-

28、46 模型四壓力面溫度云圖圖1-48圖1-51分別是模型一和模型四高度H=50mm和H=52.5mm處的截面溫度云圖，圖1-52圖1-55分別是模型一和模型四高度H=50mm和H=52.5mm處的截面流線壓力云圖。從圖中可以明顯看出，由于射流角的影響，模型一后兩排的冷卻氣膜厚度比模型四的厚。并且，兩種模型壓力面的氣膜厚度比吸力面的厚很多，這是由于壓力面的速度由于受葉片的阻礙而減小，壓力增大，導(dǎo)致壓力面的速度小于吸力面的速度，吸力面較大的速度會(huì)使射流迅速向下彎曲，導(dǎo)致氣膜厚度減小，而在壓力面上，主流對(duì)射流的影響相對(duì)小一些。在壓力面上，模型四的冷卻氣膜厚度比較適中，氣膜冷卻效果稍好些。在吸力面，逆

29、流狀況的射流能夠抬高主流，加厚第一排和第二排之間原本較薄的冷卻氣膜厚度，這也是模型一吸力面氣膜冷卻效果比模型四好的原因。圖1-47 模型一H=50mm處截面溫度云圖 圖1-48 模型四H=50mm處截面溫度云圖圖1-49 模型一H=52.5mm處截面溫度云圖 圖1-50 模型四H=52.5mm處截面溫度云圖圖1-51 模型一H=50mm處截面流線壓力云圖圖1-52 模型四H=50mm處截面流線壓力云圖圖1-53 模型一H=52.5mm處截面流線壓力云圖圖1-54 模型四H=52.5mm處截面流線壓力云圖綜上所述，在葉片前緣和吸力面上，模型一的氣膜冷卻效果較好；在葉片吸力面上，模型四的氣膜冷卻效

30、果較好。葉片前緣下游的射流孔排會(huì)加厚上游冷卻氣膜的厚度，射流角為鈍角時(shí)尤為明顯。在相同條件下，壓力面的氣膜厚度大于吸力面的氣膜厚度，這是因壓力面的主流速度小于吸力面的主流速度造成的。在葉片前緣下游附近的吸力面?zhèn)纫瞬捎蒙淞鹘菫殁g角的射流孔，這樣可以加厚原本較薄的氣膜厚度，在壓力面?zhèn)纫瞬捎蒙淞鹘菫殇J角的射流孔，這樣可以使氣膜厚度適中，獲得良好的氣膜冷卻效果。2 靜葉前緣氣膜冷卻結(jié)構(gòu)的改進(jìn)設(shè)計(jì)方案在上一章中對(duì)某燃?xì)廨啓C(jī)靜葉前緣氣膜冷卻結(jié)構(gòu)進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算模擬，主要研究了吹風(fēng)比和射流角對(duì)靜葉前緣氣膜冷卻效果的影響。通過(guò)對(duì)上一章中靜葉溫度分布云圖的對(duì)比分析可以看出，靜葉前緣氣膜冷卻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)存在問(wèn)題，主要

31、是位于靜葉前緣滯止線上的一排射流孔，由于冷卻射流方向與高溫主流方向正好相反，冷卻射流徑直射入高溫主流中，導(dǎo)致在高溫主流中的冷卻射流過(guò)長(zhǎng)，最終導(dǎo)致冷卻射流過(guò)度影響高溫主流、冷卻射流與高溫主流過(guò)度摻雜和靜葉前緣冷卻氣膜過(guò)厚等問(wèn)題。為了解決這些問(wèn)題，就需要避免在前緣滯止線上開(kāi)設(shè)射流孔，并且為了保證前緣滯止線附近得到冷卻氣膜的有效覆蓋，需要將滯止線附近的兩排射流孔向滯止線方向靠近。下面就介紹一下兩種前緣具有兩排射流孔的改進(jìn)前緣氣膜冷卻結(jié)和數(shù)值模擬結(jié)果，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行該進(jìn)。2.1 對(duì)兩種改進(jìn)設(shè)計(jì)方案的數(shù)值研究2.1.1 兩種數(shù)值模擬結(jié)構(gòu)為了更好地布置靜葉前緣冷卻結(jié)構(gòu)的孔排位置，首先對(duì)具有兩排射流孔的靜

32、葉前緣氣膜冷卻結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值模擬研究。兩種結(jié)構(gòu)的前緣均有兩排叉排布置的射流孔，第一排孔位于吸力面?zhèn)?，第二排孔位于壓力面?zhèn)?。兩種結(jié)構(gòu)的射流角不同，結(jié)構(gòu)一的射流角為135°，兩排射流孔對(duì)吹式布置，結(jié)構(gòu)二的射流角為45°，兩排射流孔背吹式布置，兩種結(jié)構(gòu)的孔排位置如圖2-1、2-2所示。兩種結(jié)構(gòu)的射流孔幾何參數(shù)相同，但與上一章中的模型相比，增加了同一排中孔與孔的間距，靜葉高為99mm，兩排共32個(gè)射流孔。兩種結(jié)構(gòu)的射流孔幾何參數(shù)見(jiàn)表2-1。網(wǎng)格劃分方法和數(shù)值模擬設(shè)置方法與上一章相同。圖2-1 結(jié)構(gòu)一孔排布置 圖2-2 結(jié)構(gòu)二孔排布置表2-1 結(jié)構(gòu)一和結(jié)構(gòu)二靜葉前緣射流孔幾何參數(shù)孔排編

33、號(hào)L/DS/DS1（mm）1（結(jié)構(gòu)一）2（結(jié)構(gòu)二）1331.5135°45°2331.5135°45°其中，射流孔直徑D=2mm2.1.2 兩種結(jié)構(gòu)的數(shù)值計(jì)算結(jié)果與分析結(jié)構(gòu)一和結(jié)構(gòu)二的前緣溫度分布云圖如圖2-3和圖2-4所示。通過(guò)對(duì)比可以看出，結(jié)構(gòu)一的氣膜冷卻效果明顯好于結(jié)構(gòu)二。結(jié)構(gòu)一前緣的上端和下端由于叉排的影響導(dǎo)致溫度較高，冷卻氣膜沒(méi)有有效覆蓋。前緣滯止線附近形成一條S形低溫帶，這有利于保護(hù)前緣滯止線附近這一受高溫主流灼燒最為嚴(yán)重的區(qū)域。前緣滯止線兩側(cè)低溫帶分布均勻，氣膜冷卻效果良好。結(jié)構(gòu)二前緣兩排孔的下游分布有低溫度帶，但孔與孔之間及其下游分布有高

34、溫帶，冷卻氣膜沒(méi)有均勻覆蓋，氣膜冷卻效果差。結(jié)構(gòu)一和結(jié)構(gòu)二的前緣附近吸力面?zhèn)葴囟确植荚茍D如圖2-5和圖2-6所示。從圖中可以看出，兩種結(jié)構(gòu)的氣膜冷卻影響區(qū)域相差不大，但結(jié)構(gòu)一的低溫區(qū)面積比結(jié)構(gòu)二的大很多。結(jié)構(gòu)一的表面溫度呈鋸齒狀分布，而結(jié)構(gòu)二的表面溫度呈條形分布，所以結(jié)構(gòu)一較結(jié)構(gòu)二有利于減小葉片的局部熱應(yīng)力，氣膜冷卻效果較好。結(jié)構(gòu)一和結(jié)構(gòu)二的前緣附壓力面?zhèn)葴囟确植荚茍D如圖2-7和圖2-8所示。從圖中可以看出兩種結(jié)構(gòu)的溫度分布情況與吸力面?zhèn)却笾孪嗤?。所以結(jié)構(gòu)一壓力面?zhèn)鹊臍饽だ鋮s效果較好。圖2-3 結(jié)構(gòu)一前緣溫度云圖 圖2-4 結(jié)構(gòu)二前緣溫度云圖圖2-5 結(jié)構(gòu)一吸力面溫度云圖 圖2-6 結(jié)構(gòu)二吸力

35、面溫度云圖圖2-7 結(jié)構(gòu)一壓力面溫度云圖圖2-8 結(jié)構(gòu)二壓力面溫度云圖圖2-9圖2-12分別是兩種結(jié)構(gòu)H=45mm和H=48mm處截面溫度云圖。圖2-13圖2-16分別是兩種結(jié)構(gòu)H=45mm和H=48mm處截面流線壓力云圖。從圖中可以看出，雖然兩種結(jié)構(gòu)的射流孔位置相同，但是由于射流角的不同，結(jié)構(gòu)一的冷卻射流在高溫主流壓力和葉片壁面摩擦力的作用下沿葉片表面分別向壓力面和吸力面兩側(cè)流動(dòng)，使得葉片前緣兩側(cè)都得到很好地冷卻；而結(jié)構(gòu)二的冷卻射流只向一側(cè)流動(dòng)，由于兩排射流孔叉排布置，造成另一側(cè)無(wú)冷卻氣膜覆蓋，氣膜冷卻效果差。除此之外，兩種結(jié)構(gòu)的前緣冷卻氣膜的厚度都較上一章中的結(jié)構(gòu)薄很多，氣膜厚度較為適中。

36、并且結(jié)構(gòu)二的氣膜厚度較結(jié)構(gòu)一也稍薄些，這也再次說(shuō)明射流角對(duì)冷卻氣膜厚度有比較大的影響。圖2-9 結(jié)構(gòu)一H=45mm處截面溫度云圖 圖2-10 結(jié)構(gòu)二H=45mm處截面溫度云圖圖2-11 結(jié)構(gòu)一H=48mm處截面溫度云圖 圖2-12 結(jié)構(gòu)二H=48mm處截面溫度云圖圖2-13 結(jié)構(gòu)一H=45mm處截面流線壓力云圖圖2-14 結(jié)構(gòu)二H=45mm處截面流線壓力云圖圖2-15 結(jié)構(gòu)一H=48mm處截面流線壓力云圖圖2-16 結(jié)構(gòu)二H=48mm處截面流線壓力云圖綜上所述，結(jié)構(gòu)一的前緣氣膜冷卻效果好于結(jié)構(gòu)二，這是由于兩種結(jié)構(gòu)的射流角不同，從而導(dǎo)致射流沿葉片表面的流動(dòng)方向不同，最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)一的前緣冷卻氣膜覆

37、蓋狀況遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于結(jié)構(gòu)二。并且與上一章中的結(jié)構(gòu)相比，結(jié)構(gòu)一在高溫主流中的冷卻射流長(zhǎng)度適中，冷卻氣膜厚度也較為適中，對(duì)高溫主流的擾動(dòng)較小，這樣可以減小主流與射流之間的傳熱，增加燃?xì)廨啓C(jī)效率。所以結(jié)構(gòu)一是一種較好的靜葉前緣氣膜冷卻結(jié)構(gòu)。2.2 結(jié)構(gòu)一的改進(jìn)結(jié)構(gòu)與模型一的對(duì)比研究2.2.1 結(jié)構(gòu)一的改進(jìn)結(jié)構(gòu)根據(jù)上一節(jié)中結(jié)構(gòu)一的氣膜冷卻效果，在結(jié)構(gòu)一的基礎(chǔ)上分別在葉片吸力面和壓力面上叉排布置兩排射流孔，每排為16個(gè)射流孔，六排共計(jì)96個(gè)，六排射流孔的幾何參數(shù)見(jiàn)表2-2。此為結(jié)構(gòu)一的改進(jìn)結(jié)構(gòu)，叫做結(jié)構(gòu)三，并與具有五排共計(jì)98個(gè)射流孔的模型一進(jìn)行對(duì)比研究。兩種結(jié)構(gòu)的射流孔位置如圖2-17和圖2-18所示。表2

38、-2 結(jié)構(gòu)三靜葉前緣射流孔幾何參數(shù)孔排編號(hào)L/DS/DS1（mm）（結(jié)構(gòu)三）13320135°2338135°3331.5135°4331.5135°5338135°6332045°圖2-17 模型一孔排布置 圖2-18 結(jié)構(gòu)三孔排布置2.2.2 模型一與結(jié)構(gòu)三的數(shù)值計(jì)算結(jié)果與分析圖2-19和圖2-20分別是模型一與結(jié)構(gòu)三的前緣溫度分布云圖。從圖中可以看，模型一的前緣除了有少許點(diǎn)狀高溫區(qū)外，低溫區(qū)分布良好，說(shuō)明冷卻氣膜覆蓋較好；由于結(jié)構(gòu)三的前緣孔排采用叉排布置，導(dǎo)致前緣的上端和下端有冷卻氣膜覆蓋不到的區(qū)域，最終導(dǎo)致前緣的上端和下端部分

39、區(qū)域較高，除此之外，前緣滯止線附近有一條S形低溫帶，兩側(cè)低溫帶分布均勻，氣膜冷卻效果良好。圖2-21和圖2-22分別是模型一和結(jié)構(gòu)三的吸力面溫度分布云圖。從圖中可以看出，模型一的第一排和第二排射流孔之間有一些帶狀高溫區(qū)，其余區(qū)域氣膜冷卻效果較好；結(jié)構(gòu)三吸力面的上端和下端由于受叉排布置的影響，氣膜冷卻效果較模型一的差，然而第一排和第二排射流孔之間只有少許點(diǎn)狀高溫區(qū)，葉片得到冷卻氣膜連續(xù)覆蓋，該此區(qū)域的氣膜冷卻效果比模型一的要好。圖2-23和圖2-24分別是模型一和結(jié)構(gòu)三的壓力面溫度分布云圖。從圖中可以看出，除了由于前緣孔排叉排布置的影響，結(jié)構(gòu)三的上端和下端氣膜冷卻稍差些外，其余區(qū)域兩種結(jié)構(gòu)的氣膜冷卻效果相差不大，都比較好。圖2-19 模型一前緣溫度云圖 圖2-20 結(jié)構(gòu)三前緣溫度云圖圖2-21 模型一吸力面溫度云圖 圖2-22 結(jié)構(gòu)三吸力面溫度云圖圖2-23 模型一壓力面溫度云圖圖2-24 結(jié)構(gòu)三壓力面溫度云圖圖2-25圖2-29分別是模型一和結(jié)構(gòu)三的葉片橫截面溫度云圖。首先對(duì)兩種結(jié)構(gòu)的前緣區(qū)域溫度進(jìn)行比較，可以看出結(jié)構(gòu)三前緣滯止線處的氣膜厚度要比模型一的薄許多。從后兩排射流孔的對(duì)比中可以看出，由于結(jié)構(gòu)三的第六排孔采用