跨声速涡轮叶顶间隙流动传热特性的数值研究

杜昆,李军,2

(1.西安交通大学能源与动力工程学院, 710049, 西安;2.先进航空发动机协同创新中心, 100191, 北京)



跨声速涡轮叶顶间隙流动传热特性的数值研究

杜昆1,李军1,2

(1.西安交通大学能源与动力工程学院, 710049, 西安;2.先进航空发动机协同创新中心, 100191, 北京)

针对叶顶间隙的高速泄漏流及复杂的流动问题,采用求解三维Reynolds-Averaged Navier-Stokes(RANS)和S-A湍流模型的方法研究了跨声速流动条件下涡轮叶片顶部的流动传热特性,同时计算分析了叶顶间隙高度和进口湍流强度对顶部流动换热特性的影响。研究结果表明:叶顶间隙为0.188%动叶高度(小间隙)时,间隙泄漏流为亚声速(0.3

跨声速叶片;叶顶间隙;传热特性;进口湍流度;数值模拟

在现代燃气轮机中,叶顶附近的高温燃气在涡轮动叶顶部与机匣的间隙中形成高速泄漏流,从而导致动叶顶部承受很高的热负荷[1]。叶顶间隙的高速泄漏流及复杂的流动状态使得叶顶区域的流动换热机理的研究一直是涡轮叶片流动换热领域的热点和难点[2]。无围带结构的燃气轮机高压涡轮动叶顶部间隙泄漏流马赫数可以超过1.5,同时跨声速间隙泄漏流动对叶片顶部换热产生很大影响[3]。考虑到实际中燃气轮机的安全运行的需要,本文利用数值方法来研究跨声速涡轮叶顶间隙处的流动和换热特性。

科研人员采用实验测量、数值模拟与理论分析的方法开展了叶顶间隙流动传热特性及其影响因素的研究。Kwak等采用瞬态液晶技术在静止状态下实验研究了GE-E3涡轮叶片平叶顶结构的流动和换热特性,发现叶顶表面换热系数随着间隙高度的增大而增大,且叶顶表面换热系数要高于端壁面和顶部附近表面[4]。……