渦輪葉片前緣端壁倒角作用機理研究.pdf

1、隨著渦輪進口燃氣溫度水平不斷提高，渦輪葉柵端壁區(qū)域的熱控制成為研究的熱點問題。在對端壁實施氣膜冷卻之前，可以利用氣動手段對端部固體表面進行“預冷”，具體的做法就是有意識、有目的地合理利用葉片前緣端壁倒角結構，通過控制端壁區(qū)域的旋渦結構來達到降低壁面溫度的目的。
　　關于葉片前緣倒角控制渦輪端壁區(qū)域熱負荷的機理研究，目前還缺乏統(tǒng)一和明確的認識。此外，現有的研究還存在著一些不足，如氣流速度和自由流湍流度過低，和實際燃氣輪機渦輪進口條件

2、不相符等，影響了現有研究成果對該技術在實際燃氣輪機中應用的指導價值。
　　本文以某實際應用的地面燃氣輪機高壓渦輪葉柵為研究對象，在葉柵出口馬赫數為0.6、0.85、1.1條件下進行數值模擬，并與實驗數據進行驗證。在此基礎上，本文設計了四種前緣倒角結構，并在來流湍流強度20.4％和葉柵出口馬赫數1.1條件下，采用數值方法對四套葉柵流場進行了模擬分析。然后選擇其中作用效果較為理想的一個前緣倒角結構，在來流湍流強度20.4%和不同的葉柵

3、出口馬赫數0.6、0.85和1.1條件下進行了數值模擬，研究前緣倒角對降低壁面熱負荷、改善流動狀況和降低能量損失的作用。
　　結果表明，從端壁至展向25%葉高的葉片表面（倒角所在位置葉片表面）是倒角影響的主要區(qū)域，最高溫度區(qū)域的面積有明顯減小，最低溫度區(qū)域的面積有所增加。前緣倒角結構使得來流沿倒角坡面向上加速流動，在很大程度上消除了原型葉柵中葉柵前緣和端壁角區(qū)形成的馬蹄渦。前緣帶倒角葉柵對消除通道渦也有很大作用。同時，通過對葉柵出

4、口能量損失分布的觀察，發(fā)現前緣帶倒角結構的葉柵能夠有效地改變能量損失的分布狀況，在葉柵根部區(qū)域的能量損失系數減小。
　　通過對不同倒角結構的流場模擬結果對比發(fā)現，倒角的大小對降低壁面溫度和降低能量損失都有顯著影響。倒角越大，壁面高溫區(qū)面積下降的幅度越大，同時對能量損失的降低也越明顯。在葉柵根部區(qū)域以上位置，大的倒角結構能夠更多地降低能量損失；而小的倒角結構對能量損失的降低作用很小，甚至會使其增加。
　　通過在不同葉柵出口馬赫

5、數條件下對相同倒角結構的流場模擬結果對比可知，在高出口馬赫數下前緣帶倒角葉柵對降低壁面溫度、改善流場和降低能量損失的作用更加明顯。葉柵出口馬赫數大于1.0時，葉柵根部葉片表面的最高溫度區(qū)域面積下降更為顯著。原型葉柵中只有葉柵出口馬赫數大于1.0時才能在喉部之后吸力面和端壁角區(qū)形成通道渦，而前緣加倒角葉柵中則沒有此通道渦的出現，所以高葉柵出口馬赫數時倒角結構對改善流場作用更大。當葉柵出口馬赫數小于1.0時，和原型葉柵相比，前緣帶倒角葉柵根