中国工程物理研究院机械制造工艺研究所绵阳621900
摘要：机械企业发展迅猛,燃气轮机的应用亦越来越广,冷却技术成为了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具有重要产业意义。本文采用标准紊流方程，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进行模拟分析。同时研究大小射流孔交替排列对气膜冷却效率的影响，最后得出本文研究结论，对燃气轮机叶片防变形提出了意见，以提高叶片使用寿命。
关键词：燃机；叶片；冷却；分析
1.引论
1.1研究的背景和意义
1.1.1研究背景：
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[1]。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[2]。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[3]。
.1.1.2研究意义：
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。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[4]。
1.2国内外情况分析
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等叶片冷却中得到了广泛应用[5]。但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，对冷却技术的改进和发展存在限制[6]。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[7]。
2.主流速度对叶片冷却影响数值模拟的建模及计算过程
2.1结构参数设置
具体设计方案见表2.1：
表2.1燃气轮机叶片结构尺寸参数表
图3.1主流温度为2m/s、5m/s和10m/s时叶片压力面温度分布
3.2模拟结果与分析
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3.1所示。大小孔交替排列的情况下比射流孔孔径大小相同的排布情况的叶片压力面温度低，即大小孔交替排列时气膜冷却的效率高。
4工装冷气流的入口速度对气膜冷气效率的影响
4.1结构参数分析
模拟所用模型即第三章中所用的模型,不同的是,本章将研究当冷气流入口速度不同时,对燃气轮机叶片冷却效率的影响。主流流体依旧选择温度为1300K，速度为4m/s的空气，而冷气流选用温度为300K的空气，但是模拟时入口速度分别设定为1m/s、2m/s和4m/s，观察不同冷气流入口速度对叶片压力面、叶片吸力面和叶片前缘的温度分布的影响。
4.2模拟结果与分析
首先观察比较当冷气流入口速度分别为1m/s、2m/s和5m/s时，叶片压力面温度场分别如图4.1所示。
图4.1冷气流入口速度为1m/s、2m/s和5m/s时叶片压力面温度场
冷气流入口速度越大，在叶片表面形成的冷气膜更替越快，这样就会不断有新的冷空气气膜覆盖在原来的气膜之上，所以叶片压力面的温度会比较低。
5.结论
本文以燃气轮机叶片气膜冷却为工程背景，采用了数值模拟的方法研究了单个叶片在不同情况下的叶片温度分布情况。得出以下结论：
(1)因本文所建立模型中射流孔并没有覆盖整个叶片，所以通过观察整个叶片的温度分布情况，可以发现：气膜冷却可以很有效的降低叶片温度。
(2)在主流速度分别为2m/s、5m/s和10m/s时，冷却效率与主流速度成反比例关系，即主流速度越大，对射流速度的扰动越大，所以冷却效率越低。
(3)大小射流孔交替排布时的冷却效率比相同孔径的射流孔排布时，气膜冷却效率要高。
(4)大小射流孔交替排布时，依然遵循射流速度越小，冷却效率越高的原则。
(5)当主流速度保持相同时，冷气射流速度越大时，气膜冷却效率越高。
参考文献
[1]HANJECHIN,DUTTASANDIP,EKKADSRINATHV.燃气轮机传热和冷却技术.程代京,谢永慧,译.西安:西安交通大学出版社,2005
[2]杨凡.蒸汽冷却叶片的数值模拟研究[D].哈尔滨:哈尔滨工程大学,2006.
[3]刘世忠.高效气冷叶片的最新动态.材料工程,1999(7)
[4]江和甫,胡正义,邓化愚.中国在燃气涡轮发动机燃烧和冷却技术方面的部分进展.燃气涡轮试验与研究,2000,13(1):
[5]吉桂明,刘长和.燃气轮机的技术和应用:现状和展望.热能动力工程,2000,15(4):339-343,347.
[6]于达仁,刘金福,徐基豫.面向21世纪的燃气轮机技术的发展.燃气轮机技术,2001,14(1):14-53
[7]黄庆宏.汽轮机与燃气轮机原理及应用.南京:东南大学出版社,2005.