涡轮动叶压力面顶部喷冷对气动性能的影响刘勋张寅豹2，梁晨李凤桐3（1.中船重工第703研究所燃机事业部，黑龙江哈尔滨150078；2.天津出入境检验检疫局，天津300201；3.哈尔滨工业大学，黑龙江哈尔滨150001）全三维N -S方程数值求解。分析了在端壁不同角度冷气喷射条件下，端壁区域的冷却效率、温度场的分布规律，以及不同角度冷气喷射对叶片端壁区域流场的影响。结果表明，在动叶压力面顶部喷射的冷气很好地覆盖了上端壁表面，起到了很好的冷却效果，喷射方向与端壁夹角较大时，端区的能量损失系数较小，冷却效率较高，与端壁夹角较小时，对端壁冷气覆盖效果较好。

　　燃气轮机是当前大功率动力的主要来源之一，在航空、舰船和发电等领域有着广泛的应用。随着科技水平的不断进步，燃气轮机的设计水平也在不修订稿日期2015-04-08：刘勋（1982），男，博士，工程师，研究方向为燃气轮机数值仿真与实验。1断提高，各行业也对燃气轮机的性能指标提出了更高的要求。涡轮是燃气轮机的重要部件之一，提高涡轮进口燃气温度是提高燃气轮机运行效率为有效的措施。由于涡轮进口燃气温度的不断提高，气动效率不断上升，在现有材料科学水平限制之下，必须对涡轮叶片进行冷却才能够保证涡轮正常工作，但冷气量的增加又会制约气动效率的提高。冷气量过大，会从整个循环上影响机组性能指标的提升，同时也会使涡轮效率下降。对此要求在保证冷却效果的同时减少冷气带来的气动效率的损失11.国内外学者做了很多针对气动损失的研究，得到了影响气膜冷却效果的因素，也有学者对端区与前缘的复合冷却进行了分析9.尽管国内外对气膜冷却的研究已很多，但是对涡轮动叶压力面叶顶区域冷气喷射的研究却鲜有报道。在动叶压力面叶顶区域喷射冷气可以降低叶片顶部和上端壁的温度，同时可以起到对端区旋涡进行主动控制的目的。

　　本文结合前面学者的分析，通过数值仿真分析了在涡轮动叶压力面顶部不同角度喷射冷气时流场的特点，揭示了涡轮动叶端壁区域喷射冷气对气动性能影响的规律，从而为燃气轮机涡轮叶栅的工程设计提供。

　　1计算方法本文使用Numeca软件，对燃气轮机级动叶片进行了气膜冷却流场全三维N-S方程数值求解。喷射冷气模拟采用的是FINE程序包中的Cooling模块进行模拟。Cooling模块模拟冷气喷射的原理是在设好的喷射孔位置处，将壁面喷射孔直径范围内的网格设成质量源，冷气流量平均分布在所有网格上，喷射方向为设定方向。计算采用Spal-art -Allmaras瑞流模型，中心差分，时间步长。计算网格为HOH型网格，网格数目125万。出口边界条件为径向平衡静压边界条件，设定壁面为无滑移边界，并且叶片表面为绝热条件。涡轮动叶片进口总温1693K，动叶进出口相对总压比1.43.本文在距离上端壁2叶高处压力面开一排20个冷气孔，孔直径0. 002m.冷气流量占主流流量的0. 86，冷气总温与主流进口温比0.5.本文计算了冷气喷射方向与上端壁成20.、25.、30.、35.等4种不同喷射方案。

　　2分析与讨论定义动叶出口能量损失系数如6英基勇，毛荣海。燃烧不稳定机理与线化分析原理周昊，李国能，岑可法。旋流燃烧器的配风结构对热声不稳定的控制研究。中国工程热物理学会2008年燃烧学学术会议，008.（上接第54页）尾缘区域，冷气对端壁覆盖效果较好，形成低温带，有效保护了端壁。中温度分布图中，不同冷却方式下的温度分布差别不大，通过对比，喷射角度与端壁夹角越小，对端壁的冷气覆盖效果越好。

　　3结论通过前面的分析可以得到如下结论：在压力面上端壁区域，不同角度喷射冷气对上端壁进行冷却时，能量损失系数在上端壁区域较无冷气喷射时略高，冷气覆盖效果较好，实现了对上端壁的冷却。

　　通过对比可以看出，与端壁成35°喷射冷气时的冷却效率较高，冷气较好地覆盖了端壁区域。

　　喷射方向与端壁夹角较大时，在端区的能量损失系数较小，叶片表面的冷却效率较高，与端壁夹角较小时，对端壁冷气覆盖效果较好，但是差别不大。