利用渦輪葉片前緣端壁倒角控制壁面熱負荷的數(shù)值研究↑.pdf

1、隨著渦輪進口燃氣溫度水平不斷提高，渦輪葉柵端壁區(qū)域的熱控制成為研究的熱點問題。在對端壁實施氣膜冷卻之前，可以利用氣動手段對端部固體表面進行“預(yù)冷”，具體的做法就是有意識、有目的地合理利用葉片前緣端壁倒角結(jié)構(gòu)，通過控制端壁區(qū)域的旋渦結(jié)構(gòu)來達到降低壁面溫度的目的。
　　關(guān)于葉片前緣倒角控制渦輪端壁區(qū)域熱負荷的機理研究，目前還缺乏統(tǒng)一和明確的認識。此外，現(xiàn)有的研究還存在著一些不足，如氣流速度和自由流湍流度過低，和實際燃氣輪機渦輪進口條件

2、不相符等，影響了現(xiàn)有研究成果對該技術(shù)在實際燃氣輪機中應(yīng)用的指導(dǎo)價值。
　　本文以公開發(fā)表的在實驗室條件下得到的具有最優(yōu)前緣倒角結(jié)構(gòu)的渦輪葉柵為研究對象，分別對不同來流湍流強度（2.1％、11.2%、20.4%）和不同葉柵出口馬赫數(shù)（0.5、1.05）條件下前緣加最優(yōu)倒角和原型兩套葉柵進行了數(shù)值模擬，研究前緣端壁倒角結(jié)構(gòu)降低壁面熱負荷的作用機理和流動狀況改變對倒角降溫效果的影響。并在來流湍流強度為20.4%、葉柵出口馬赫數(shù)為1.05

3、這種較為接近真實流動條件下，以目標壁面的面積平均溫度下降最大為目標，對倒角結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化研究。
　　結(jié)果表明，從端壁至展向20%葉高的葉片表面（倒角所在位置葉片表面）是倒角影響的主要區(qū)域，面積平均溫度和最大溫度都下降明顯。前緣倒角結(jié)構(gòu)使得葉片負荷重新分配，根部負荷的明顯降低使附近流動狀態(tài)得到改善，來流沿倒角坡面向上加速流動，消除了原型葉柵中葉展中部高溫工質(zhì)向葉片前緣端壁角區(qū)遷移的趨勢，從而降低了倒角作用區(qū)域的葉片表面溫度。前緣帶倒

4、角結(jié)構(gòu)葉柵在喉部之后形成了與原型通道渦不同的靠近吸力面和端壁角區(qū)的渦結(jié)構(gòu)，該旋渦一直緊貼吸力面發(fā)展，使得高湍流強度情況下端壁角區(qū)壁面溫度比原型有所提高。另外，湍流強度一定時，前緣倒角葉柵的出口質(zhì)量平均能量損失在低出口馬赫數(shù)情況下比原型葉柵高，而在高出口馬赫數(shù)情況下比原型葉柵低，可見葉片前緣倒角結(jié)構(gòu)對前緣角區(qū)熱環(huán)境和葉片氣動特性的影響效果并不一致，且與來流工況條件關(guān)系密切。
　　通過對不同工況條件下的模擬結(jié)果對比，可知來流湍流度和速