基于来流湍流度的透平静叶外换热数值研究

摘要

以某型燃气轮机透平第1级静叶(无气膜)为研究对象,基于OpenFOAM平台采用叶栅三维黏性流的数值计算方法,研究了不同进口来流湍流度下静叶片表面的压力分布和对流传热系数的分布特征及二者对叶片冷却结构设计的影响。结果表明:来流湍流度对叶片表面的压力分布影响较小,对表面传热影响显著。叶片外表面传热系数随来流湍流度的增大而升高,但增强的幅度逐渐减小。在前缘区的传热增强程度最大达到30%,压力面的影响达15%,吸力面及尾缘区域传热增强程度受湍流度影响约5%。沿叶高方向,叶片传热呈现较高的二维性,叶片根部区域有明显端部效应。根据叶片一维传热过程模拟,若前缘外传热恶化程度达30%,则金属表面局部平均温度上升最大幅度约24 K,这极大影响了叶片寿命。在设计叶片冷却结构时,需要合理地考虑来流湍流度的影响,采用高性能冷却结构并留有适当安全裕度,防止叶片局部过热或产生较大热应力。研究成果可为透平叶片冷却结构设计及现有机组性能优化提供参考。