透平端壁冷却及泛冷却最优的端壁造型设计研究

张垲垣,李志刚,李军

(西安交通大学能源与动力工程学院,710049,西安)

为了提高燃气轮机单机效率及输出功率,燃气轮机透平进口温度和压力也随之增加,并且随着低NOx燃烧室技术的发展,透平进口温度分布更加均匀。流道中靠近端壁的二次流强度也随热负荷不断增强,从而对端壁附近的冷却传热有显著的影响。为了保证涡轮安全高效运行,需要对端壁开展精细化的气动和冷却布局[1]。

非轴对称端壁造型是抑制涡轮叶栅流道内二次流及壁面传热强度的有效方法之一。李志刚等研究了在跨声速叶栅中进口不重合度和轴对称造型端壁对端壁传热性能的影响,结果表明轴对称造型端壁可以减小叶片前缘肩部和喉部下游的热负荷[2]。张旭阳通过分析叶栅前缘端区的流动特征,观察到优化设计的端壁造型能够消除端壁附近鞍点和分离线[3]。李军等总结了非轴对称端壁设计的高负荷涡轮气热性能的国内外研究进展,并对其不同设计在高负荷涡轮的高效气动和冷却布局应用及研究进行了展望[4]。

涡轮动静叶之间以及燃烧室与第一级静叶间会存在固有间隙槽缝结构,需要冷却气体通过间隙射入主流中阻止高温燃气入侵,槽缝间隙冷气对端壁具有冷却作用。陆泽帆等针对第一级叶栅,数值模拟研究了不同质量流量比的轮缘泄漏对非轴对称端壁气动及冷却性能的影响[5]。Müller等实验研究了不同上游槽缝结构和冷却气体密度比及吹风比下端壁冷却效果[6]。……