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吹风比对圆角横槽冷却效率的影响
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刘铭起郑凯兮史昕博蒋尚韬潘思卓
摘要本文采用CFD方法,在不同吹风比下研究圆角横槽结构冷却效率。结果表明:与传统圆孔气膜冷却结构相比,具有圆角横槽结构的冷却效率得到了显著的提高。新的槽出口几何形状可降低薄膜冷却质量流速,同时提升冷却效果。
关键词燃气轮机气膜冷却圆角横槽康达效应
:V211.4:A
0引言
随着燃气轮机性能的不断提高,燃气进口温度的增加一方面会导致燃烧室受热不均,造成燃烧室火焰筒壁上产生很大的温度梯度,对部件寿命影响严重,另一方面传统合金材料已经不能满足现代燃机的要求,所以必须采用先进的冷却技术来保证燃机透平初温的提升。
本文在不同吹风比条件下对圆角横槽结构的换热特性进行数值研究,通过圆角结构参数来调节抗涡孔的冷却效率。针对冷却效率表现较好的结构进行优化,提出一种气膜冷却效率更高的圆角横槽结构。
1物理模型和计算方法
本文共研究3种不同的圆角横槽结构和1种传统圆孔结构,冷却孔结构孔径D为5mm,冷却流出口角%Z为35埃岵墼步墙嵌确直鹞?.2D、0.25D和0.3D。
2计算方法及边界条件的设置
本文采用Realizablek-%^模型,近壁区域用增强壁面函数处理(EnhancedWallTreatment)。压力和速度耦合采用SIMPLE算法,各个物理量采用二阶精度迎风格式离散,收敛条件为各个参数残差小于10-5。主流入口定义为速度入口,平均速度为20m/s,温度为330K,主流湍流度为4.5%;冷却气流通道入口同为速度入口,温度为300K,湍流度為1%,速度大小根据吹风比计算得出。出口压力为101.325kPa。
3结果与讨论
由图1可以看出,在传统结构中,在较小吹风比条件下冷却效率高于其他两种吹风比,且在近圆孔处(0到3D),M=0.5,1.0,1.5冷却效率依次降低。在圆角0.2D圆槽结构中,在近圆孔处(0到3D),M=0.5冷却效率远高于其他两种。在3D到25D之间,大吹风比(M=1.5)冷却效率最高。圆角为0.25D的结构中,小于13D的流向区域内,M=0.5的冷却效率最高,而大于13D的区域M=1和M=1.5效率较高。圆角为0.3D的结构与0.25D结构的冷却效率趋势相似。以上分析可得,在较小的圆角结构中小吹风比具有较高的冷却效率,而随着圆角的增大,较大吹风比的冷却效率具有上升趋势。
圆角0.25D的圆槽结构具有较优异性能。尤其在大吹风比情况下,表现尤为明显。图2给出了传统圆孔和圆角0.25D结构壁面气膜冷却效率云图,可以看出与传统基线圆孔气膜冷却结构相对比,具有圆角横槽的气膜冷却结构的冷却效率得到了显著的提高,这是由于圆角横槽结构有效抑制垂直槽的射流进入交叉流,使冷却气流贴附于壁面产生康达效应,增加了冷却流体在展向上的覆盖,有效提高了气膜冷却效率。
4结论
3种圆角结构圆槽孔平均气膜冷却效率均高于常规圆孔结构,且随着吹风比的增大,冷却效率的峰值沿X轴增大。在小吹风比(M=0.5)的情况下,整体冷却效率最高。
在较小的圆角结构中,小吹风比具有较高的冷却效率,而随着圆角的增大,在较大吹风比情况下,效率具有上升趋势。
圆角角度为0.25D的圆角横槽结构具有较优异性能。并且随着吹风比的不断增大,圆角横槽结构气膜冷却效率都远高于常规圆孔结构,尤其在大吹风比条件下表现得尤为明显。
参考文献
[1]尹洪,王文萍,任静,蒋洪德.燃烧室出口辐射对气膜冷却传热影响研究[J].工程热物理学报,2012,33(02):214-217.
[2]张浩,李录平,唐学智,黄章俊.燃气轮机动叶缩放型气膜孔冷却效果的数值模拟[J].热能动力工程,2019,34(03):33-42.
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-全文完-
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