不同湍流强度下热障涂层对导向叶片气膜冷却影响的数值研究

发布时间：2018-10-15 17:31

【摘要】：近半个多世纪以来,为了尽可能追求更高的输出功率或者更大的推力,燃气透平发动机的进口温度不断地上升。目前,先进的燃气透平运行温度早已远远超出现有透平叶片材料的使用温度。为了提高透平高温部件在高温、高压下的使用寿命,人们不断研发更加先进的冷却技术。采用内部对流、撞击冷却和外部气膜冷却相结合的方法是延长叶片寿命的有效途径,但是,由于气膜冷却中所采用的冷却气体是从压气机中抽取,因此大量使用冷却气体会降低透平整体效率。在叶片冷却设计中,为了减少高温燃气的对叶片的传热,热障涂层(TBC)与气膜冷却相结合的方法是十分有效的。本论文对现代燃气透平叶片在真实运行工况下的冷却特性进行数值模拟,这一工作的创新点在于:用流-固耦合换热(CHT)数值分析方法,同时呈现气膜冷却和TBC在不同湍流强度(Tu)下的综合作用。与以往的叶片冷却特性数值模拟相比,这一工作的特点是:1)使用CHT数值分析方法,针对具有TBC与前缘喷淋气膜冷却的叶片和全身气膜冷却的叶片,研究不同主流Tu对其综合冷却特性的影响。2)这项研究可以为燃气轮机设计人员和研究者提供相对全面的参考,以获得更好的冷却特性理解和最佳热障涂层策略。因为数值结果表明:在叶片的前缘、尾缘、压力面及吸力面不同的区域,在不同的Tu下,TBC与气膜冷却的组合表现出不同的热防护特性。本文主要研究工作包括:采用CFD软件ANSYS FLUENT,通过数值计算方法,研究湍流强度对透平叶片气膜冷却特性的影响。所用的两种叶片模型均选自Timko报告(NASA CR-168289)并稍作简化。它们分别为:前缘淋浴头式气膜冷却叶片和遍布叶片全身的气膜冷却。首先,本文讨论了 5组两方程湍流模型(Standard k-ε,RNG k-ε,Realizable k-ε,Standard k-ω和SST k-ω)在透平机械流动和传热数值计算中的适用性,分析三组主流湍流强度(Tu=3.3,10,20%)下前缘喷淋式气膜冷却,无TBC叶片在绝热壁面条件下的气膜冷却计算结果。通过比较得出如下结论:1)用这5组湍流模型计算得到的绝热气膜冷却效率在压力侧上均稍低于吸力侧。2)在叶片的前缘和压力侧,由不同湍流模型计算得到的绝热气膜冷却效率存在一定差异。3)由RNG k-ε,Realizable k-ε和SST k-ω湍流模型得到的气膜冷却效率较为相近,其中RNG k-ε和SST k-ω更为接近。4)在吸力侧,除了翼展高度8%处绝热气膜效率随Tu增加而降低,其它地方绝热气膜效率随Tu增加而上升。5)在压力侧靠近尾缘区域,绝热壁面上冷气的扩散长度随Tu增加而减短,但由不同湍流模型得到的气膜覆盖的效果并不同。由于SST k-ω湍流模型被许多学者用来研究跨音速叶片上气膜冷却特性,并以取得较好结果,因此在本文中为了简化计算,仅选取SST k-ω湍流模型并结合CHT数值分析方法,来模拟三组主流湍流强度(Tu=3.3,10,20%)对前缘喷淋式气膜冷却、无TBC叶片的对冷却叶片综合冷却特性的影响,同时将结果与绝热气膜冷却效率相比。由数值结果可得到下列结论:1)以流-固耦合计算方法得到的综合冷却效率随着Tu增加而降低,并且压力侧的降低程度比吸力侧更加显著。2)在叶片前缘区域,当Tu增加时,在气膜孔出口附近综合冷却效率降低,但绝热气膜冷却效率增加。同时,在该区域,随着Tu的变化,综合低冷却效率区域的位置发生明显变化。3)在三个主流Tu下,与绝热气膜效率相比,叶片上的综合冷却效率在绝大部分叶片上均高于绝热气膜冷却效率,且更显均匀。最后,选取CHT数值分析方法和SST k-ω湍流模型,详细讨论在三组湍流强度(Tu =3.3,10,and 20%)下采用TBC与气膜冷却组合的冷却方法来计算前缘喷淋式叶片和全气膜冷却叶片的综合冷却特性,并得到如下有益结论。对于前缘喷淋式气膜冷却与TBC的组合叶片:1)TBC在前缘及其附近有很好的隔热作用,并随着湍流强度增加而隔热效果更为明显。在最高湍流强度下,绝热涂层能降低叶片接近端壁的表面温度40-42K,相当于25%的综合冷却效率。2)对于所有主流Tu,TBC的隔热效果均在叶片靠近下端壁最佳,并沿着翼展高度方向呈现降低趋势。3)TBC在靠近叶片前缘的压力侧的效果高于吸力侧,并随着Tu的增加,效果更为显著。4)同样,在气膜孔出口附近,TBC可能对综合冷却效率产生负作用,原因是TBC阻止了高温叶片将热量传递给较低温度的主流和冷气的混合区。对于全气膜与TBC组合叶片:1)在三组湍流强度条件下,虽然TBC均会显著增加综合冷却效率,但并不改变冷却效率分布趋势。对于当前叶片,与吸力侧相比,TBC在压力侧的隔热效果更好。2)叶片的TBC会增加气膜冷却效率不高区域的隔热效果,如叶片顶部和下端壁附近,在湍流强度20%时增加24%的耦合冷却效率(降低温度约38K)。3)叶片的TBC表现在原气膜冷却效果较好的区域并不理想,例如,在气膜孔出口附近、吸力侧的扩张孔的下游区域以及尾缘区域。4)虽然TBC能阻碍高温气流向叶片传热,但也能阻碍叶片向较低温度的冷气与主流混合区传热,而且随着湍流强度增加,这种阻碍效果更加明显。
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【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TK471

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