冲击-气膜式蒸汽冷却叶片数值模拟研究

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1、第55卷第3期汽轮机技术V01．55No．32013年6月TURBINETECHNOL0GYJun．2013冲击一气膜式蒸汽冷却叶片数值模拟研究李岩，杨洪磊，游洋，李智明，杨仁(1海军驻哈尔滨汽轮机厂有限责任公司军事代表室，哈尔滨150046；2哈尔滨工程大学动力与能源工程学院，啥尔滨150001)摘要：在纯气膜蒸汽冷却叶片结构基础上，在其前腔设计加装了冲击冷却套筒，目的是对纯气膜冷却中叶片出现的高温区采用射流冲击冷却方式来进一步降低高温区的温度，强化了换热效果。为得到叶片内部流道的流动情况和叶片外表面压力分布、温度分布情况，借助ANSYS

2、CFX软件对其进行流热固耦合数值模拟，并对其进行对比分析。结果表明，采用冲击一气膜组合冷却方式与传统气膜冷却方式相比，可使叶片高温区最多再降低150K，整体冷却效率可达到60％。关键词：蒸汽冷却；射流冲击；数值模拟分类号：TK474．811文献标识码：A文章编号：1001-5884(2013)03-0185-04NumericalSimulationofImpingement·-filmSteam··coolingTurbineBladesLIYan，YANGHong—lei，YOUYang，LIZhi—ruing，YANGRen(1Nav

3、yRepresentativeOficeinHarbinTurbineCompanyLimited，Harbin150046，China；2PowerandEnergyEngineeringCollege，HarbinEngineeringUniversity，Harbin150046，China)Abstract：Basedonthepuresteamfilmcoolingblades，addacoolingsetinfrohtoftheblade．Useofjetimpactcoolingtoreducethetemperatureof

4、thehigh—temperatureregion．AnalysisandnumericalsimulationofflowfieldandtemperaturefieldinfiniteelementanalysissoftwareCFX．Thengettheflowfieldoftheinnerflowchannel，thepressureandtemperatureoftheoutsidesurfaceoftheblade．Thecalculatedresultsshowthattheimpingement—filmsteam—coo

5、lingisabettermethodthanthetraditionalfilmone．Theimpingement-filmsteam—coolingmethodcanfurtherreducedthebladetemperatureupto150K，andtheoverallcoolingeficiencyupto60％．Keywords：steamcooling；jetimpingement；numericalsimulation轮进口温度逐渐升高，以往传统的冷却方式在这种情况下已0前言不能够充分降低叶片的表面温度，如今迫切需要冷却

6、效率高，效果佳的先进叶片冷却方式。射流冲击冷却是其中一种燃气轮机是一种现代先进大型动力装置，其输出功率和更为有效的冷却方式，采用这种冷却方法可以提高叶片的换热效率具有随着燃气初温的提高相应增加的特性。理论分热系数，优化冷却效果。这种冷却方式的机理是高速流体通析可知，进入涡轮的高温燃气，随着进气温度的升高其整机过孔隙直接冲刷叶片表面，从而在叶片周围形成了高速流动效率和输出功率均会相应提高，这样也会相应降低燃料的消的气膜，有效地阻隔了热空气并增强了换热。这种冷却方式耗。由此可知提高涡轮进口燃气温度可以相应提高燃气轮常与气膜冷却构成复合冷却，在本

7、文中所采用的即为上述冲机性能，但涡轮进口燃气温度不能无限制的增加，需要考虑击一气膜式蒸汽冷却方式。燃气轮机热端部件材料的耐热、冷却问题。随着燃机新要求和技术的发展，现阶段的涡轮进口燃气1控制方程温度已超过涡轮叶片金属材料的熔点，特别是随着燃机技术的进一步发展，涡轮进口燃气温度将会更高，因此涡轮叶片叶轮机械内部流体的流动十分复杂，欲模拟其流动过的冷却技术也需要相应提高J。目前先进燃机的燃气初温程，首先需选定流动控制方程。本文选用时均非定常三维已达到2000K左右，高于高压涡轮材料的熔点。综上可N—s方程，同时补充能够反映湍流特性的流动方程，用

8、于计知开展叶片冷却技术的研究具有十分重要的意义。国外学算的控制方程如下：者对叶片开式、闭式以及半开半闭式蒸汽冷却结构的特点微分形式的连续性方程：进行了对比分析；国内学者将蒸汽冷却