燃气轮机叶片冷却温度场仿真与分析
摘 要：
21世纪之后，随着机械行业发展的突飞猛进，其主要动力源发动机的发展也备受关注。就世
界各国而言，动力装置在农业、航空、国防等众多领域都处于举足轻重的地位。然而，随着地球有限资源的限制、生态环境的不断恶化，节能减排绿色发展已成为动力装置发展的巨大挑战。
迄今为止，随着燃气轮机的迅猛发展及相关领域技术的不断完善，冷却技术已经成为提高动力效率和降低能耗的最有效经济的途径之一。燃气轮机叶片作为其尤为重要的一个部件，因其工作环境非常恶劣，任何设计和制造中的缺陷都可能导致工作效率的降低，甚至带来重大的经济损失，其叶片的性能对整个燃气轮机的性能具有重要影响[2]。在叶片材料上使用新型具有良好抗高温腐蚀，抗低周热疲劳及抗叶片蠕变的镍基合金材料外，同时还要在叶片等高温部件上使用先进的冷却技术。在一些发达国家燃气轮机叶片冷却技术已经得到了突飞猛进的发展并且继续保持强劲的发展势头。
气膜冷却技术的发展大概兴起于70年代末期，该技术已经在燃气轮机、涡轮机等叶片冷却中得到了广泛的应用。但是，目前我国对叶片温度场的分布特点研究多局限于宏观实验，实验方法虽然可以得到其大概分布，但其中的微观流态很难得到反映，对冷却技术的改进和发展存在限制。
随着机械行业的迅猛发展,燃气轮机得到了越来越广泛的应用,冷却技术已经成为提高动力效率的最有效的经济途径之一。因此研究燃气轮机叶片气膜冷却的流动与传热特性对燃气轮机叶片的改进具有重要的指导意义。本文采用标准k-?紊流方程，基于SIMPLE算法，结合有限体积法对控制方程进行离散，对常规圆柱形单孔排布结构的叶片在主流速度分别为2m/s、5m/s和10m/s，温度为1300K的主流环境中叶片的温度分布情况进行了模拟，同时研究了大小射流孔交替排列，对气膜冷却效率的影响，并与常规圆柱形射流孔排布结构的气膜冷却进行了分析和对比。而且研究了不同冷气入口速度时叶片的温度分布情况。最后得出本文研究结论，对燃气轮机气膜冷却的改进提出了意见，以达到提高叶片使用寿命的目的。
1 主流速度对气膜冷却影响数值模拟的建模及计算过程
1.1 结构参数设置
表1.1 燃气轮机叶片结构尺寸参数表
名称 叶片高度 冷气孔半径 射流孔半径 各排射流孔个数 射流孔间距 叶片前缘射流孔角度 叶片压力面射流孔角度 叶片吸力面射流孔角度
数值 20mm 6mm 1.5mm 4 4.5mm 90° 60° 15°
1.2 模拟结果与分析
(1)首先观察比较当主流速度分别为2m/s、5m/s和10m/s时，叶片压力面温度场分别如图1.1、图1.2和图1.2所示。
比较三个不同主流速度下叶片压力面温度场，可以发现：当主流速度为2m/s时，整个叶片压力面的温度最低。但随着无量纲距离x/d的增加，叶片温度越高，最高温度出现在叶片尾端。同样，当主流速度分别为5m/s和10m/s时，叶片压力面的温度分布情况与上述情况相同，温度最高的部分都是出现在叶片的尾部。但纵向比较三个叶片，可以发现，主流速度越大，叶片压力面的整体温度越高。说明：由于主流的存在，会影响叶片表面的气膜覆盖情况，会使射流偏离叶片表面，主流速度越大，对射流的影响也就越大，所以会出现主流速度越大叶片压力面温度越高的。
图1.1 主流速度为2m/s时叶片压力面温度场
图1.2 主流速度为5m/s时叶片压力面温度场
图1.3 主流速度为10m/s时叶片压力面温度场
(2)观察比较当主流速度分别为2m/s、5m/s和10m/s时，叶片吸力面的温度场。分别用下图的图1.4、1.5和1.6所示。