燃气轮机简化过渡件钉翅和雾冷冲击冷却性能的模拟

摘要

将燃气轮机过渡件简化为外壁上有单排冲击孔的1 - 4缸双腔模型。通过采用针翅结构和雾冷却实现了冷却腔内的强化换热，提高了湍流度和换热效率。本文利用FLUENT软件对冷室冲击冷却的传热和压力特性进行了研究。与给定的冲击孔直径、销钉翅片直径比在1到2范围内进行了数值研究。三个不同的分离被模拟了。在冷却剂室中的单相和两相（进口适当的雾）流之间比较了所有情况的撞击性能。所有模拟结果都表明和对对流换热有显著影响。采用引脚翅结构后，与无引脚翅结构相比，最大温度降低了38.77 K。而在冷却室内喷雾后，区域加权平均温度得到较低的数值，且无超压损失，可满足较为严格的工程要求。

1.介绍

燃气轮机安装成本低、产量高，是现代工业中普遍采用的发电设备。半个多世纪以来，燃气轮机在航空航天和船舶推进领域得到了广泛的应用。为了满足日益增长的电力需求，对燃气轮机热效率的研究和提高已成为当前的研究热点。为了提高燃气轮机的热效率和产量，通常将工作流体的温度提高到高于金属熔化时的温度。自发地，燃气轮机的部件，如燃烧室、燃烧室过渡件和涡轮叶片，需要通过冷却技术来保护免受高温气体的伤害。几十年来，包括气膜冷却和冲击冷却在内的各种冷却技术已经成功地应用于这些热部件的冷却。

在许多应用中使用撞击喷射以提供高热/传质速率。与不采用相变的其他热量或传质布置相比，喷射冲击装置提供了有效的流体和高转移率的使用。在涡轮应用中，喷射冲击可用于冷却诸如燃烧器壳体，涡轮箱/衬里和临界高温涡轮机叶片的若干不同部分的发动机[1];过渡件也多采用这种冷却方法。撞击射流的一般应用和性能已在若干评论中进行了讨论[2-4.］.射流冲击角对传热有影响，经常被研究[2那3.］.此外，一些其他参数对撞击特性也具有重要影响。Dano等人。[5.研究了喷嘴几何形状对流动特性和换热性能的影响。郑等人[6.实验测量了低喷嘴-板碰撞射流下的局部传热系数，和间距。

同时，销钉翅片冷却经常被用来保护热的部分，从热退化，同时延长耐久性。它是燃气轮机叶片尾缘和多通道流动中常用的方法[7.-10］.Horbach等[8.用冷却剂喷射描述了一种关于后缘膜冷却的实验研究。实验测试研究了不同销鳍片几何配置的影响，结果表明，椭圆销翅片对放电行为具有很强的影响以及冷却效果和传热。

在文献中[9.那10用空气进行销翅片在通道中的传热性能的实验和数值研究。结果表明，带有销翅片的通道具有传热系数，该传热系数是没有销翅片的通道的两倍。数值计算显示了通过采用销钉结构的传热增强实验观察的相同趋势。引脚FIN参数的热传递是具有许多工程应用的高度重视的主题。

以上工作大多基于冷却结构的几何参数;在实际应用中，新的冷却技术是提高传统冲击冷却性能的又一途径。王和李[11]提出了一种有前途的技术，可以通过雾（小水滴）注射增强空气膜冷却。每个液滴都占据了冷却水槽的一部分，并且它在完全蒸发之前飞到距离。并且液滴蒸发在减少热墙附近的温度方面起着重要作用。

李和王[12进行了第一次空气/雾膜冷却的数值模拟。结果表明，在空气中注入适当的薄雾可将冷却效果提高到30-50%左右。之后，他们[13[持续进行了一种关于调查各种模型对计算结果的影响的更基本的研究，包括湍流模型，分散的相位建模和不同的力模型（Saffman，散热和布朗）。

而上述关于雾冷却的研究都集中在气膜冷却方式上，而以往关于冲击冷却和销翅冷却结构的文献则主要集中在燃气轮机叶片结构、电子设备等多种通道流动上。尽管Yu等人[14将雾引入冲击冷却技术中，冷却结构不含钉翅结构。而以往的引脚翅片研究主要集中在一些引脚翅片结构上，如引脚翅片的截面形状、引脚尖与端壁之间的分离空间等，这是将引脚翅片结构、雾冷却和撞击结合在一起研究引脚翅片撞击特性的有限工作。

基于上述冷却结构和雾膜冷却机构，提供有限的工作来研究本研究中的撞击性能。设计了一个四分之一气缸的模型，其可以简化燃气轮机过渡件中使用的撞击结构和性能。本文的目的是使用CFD仿真来研究销翅片进口到冷却剂室的撞击性能。使用数值模拟研究了两种与撞击冷却和销鳍结构的显着影响因素。所有病例都在两种情况下模拟;一个仅在冷却剂中的空气，另一个是在冷却室中有雾气的空气，这有助于获得更好的冷却效果。

因此，调查的主要目标如下。 分析：具有撞击孔的给定直径，mm，销翅直径比在三个不同的值，1,1.5，和2中进行了数值研究。分离空间分析:从针翅阵列到撞击孔阵列(标记为)三个不同的分离空间， 68 mm)。结果比较:不同情况下的内壁温度、冷却效果和速度轮廓。讨论冷却室中单相和两相流之间的冷却性能，将适当的雾（小液滴）进入冷却剂（空气）。

2.数值模型

2.1。几何配置

将过渡件简化为四分之一气缸，可以模拟过渡件的结构和性能[15那16］.在运行中的燃气涡轮发动机中，从上游压气机抽出的离散冷却剂射流，在过渡件的一侧形成一个保护膜腔。冷却剂通过表面有孔的内部通道流动。从供气箱内，冷却液通过外边界层上方的三个离散的撞击孔喷射到过渡片另一侧的局部高热传导上。在这些撞击孔的下游，三个销钉鳍被带入冷却室。图中给出了流域的示意图以及边界条件和尺寸1．

如图所示，四分之一圆筒模型具有两层腔室，长度为1050毫米，外腔为圆柱形，域是冷却剂的畴，这是我们的主要研究对象。分别的尺寸分别定义为外半径和200mm和162mm的内半径。在图中，冷却剂室的一侧关闭;相反，主流室的两侧被打开，其中气体可以从一侧流过另一侧。三个孔沿着外墙表面的圆周方向均匀地分布在一行中。孔与销钉之间的距离标记为可变参数．所有撞击孔的直径约为10.26毫米，即毫米。三组销翅直径比(表示销钉翅片直径)，分别设置为1、1.5、2。

2.2。数值方法

2.2.1。控制方程

目前的撞击和销钉翅片冷却研究涉及到一个稳定的、牛顿的、三维的、不可压缩的和湍流的流动。为了解决流体、质量、能量和物种的这种状态，需要求解输运方程。连续性、动量和能量方程由[16］. 在哪里是总压力，压力张量，和是重力和外力，是粘性的加热耗散，并由傅里叶定律给出了热通量。

2.2.2。湍流模型

一个广泛应用的湍流模型是可实现的湍流模型是一个相对近期的发展模型。术语“可实现”意味着该模型满足雷诺应力的某些数学限制，与湍流流动的物理保持一致[17］.选择该模型的好处是，它能更准确地预测射流的扩散速度，并且在旋转、分离和再循环流动方面具有更优越的性能。在这个模型中等式与RNG模型相同;然而不是常数，是平均速度场和湍流度的函数(0.09在剪切层为0.05）.该方程是基于均方涡量波动的输运方程[18] 如下： 在哪里和．该模型与标准壁面函数一起用于预测内壁冷却表面的流动结构和传热。

2.2.3。分散相模型/水滴(薄雾)

基于牛顿的第二律法，液滴轨迹追踪 在哪里是液滴质量和为液滴速度。为液滴颗粒所受的合力，通常包括水动力阻力、重力等力。任何单个液滴的能量平衡可以给出如下方程: 在哪里为潜热。对流换热系数可以通过经验相关性得到[19］.

质量变化率/汽化速率（4.)由水滴表面与气流的浓度差决定: 在哪里传质系数和是液滴表面的蒸气浓度，通过假设表面上的流动饱和来评估。是散装流动的蒸气浓度。当液滴温度达到沸点时，可以使用以下等式来评估其蒸发速率[20.]： 在哪里气体/空气的导热系数和是它的比热。利用随机跟踪可以考虑瞬时湍流对粒子弥散的影响。用瞬时流速计算液滴运动轨迹然后，然后给出速度波动如下： 在哪里为正态分布随机数。这个速度将适用于涡旋te的特征寿命，这是一个由湍流动能和耗散率计算的时间尺度。在这个时间段之后，瞬时速度将被更新为一个新的值，直到得到完整的轨迹。Li和Wang对随机方法和蒸发两阶段作了更详细的讨论[21[流利]给出更多数值细节[17］.

２.３.边界条件设置

在撞击冷却仿真的情况下，应用边界条件来指定流量和热变量。数字1（a）揭示了模型中冷却剂和气体在两层室中反向运动时的边界条件。在冷却室内，冷却剂被认为是两种情况。一种是单相分析。冷却剂只有空气，而速度和温度设置在射流孔上，出口有压力。另一种情况是冷却室内的两相流，这被认为是添加在空气中的薄雾。还规定了喷雾喷射的附加边界条件。水滴的大小均为5微米，水滴的质量为0.003 kg/s。Subbuswamy和Li [22］.固体壁被分配为“反射”边界条件，这使得液滴能够弹性反弹一次撞击墙壁。外部入口被指定为液滴的“逃逸”边界条件，使得它们可以从入口表面进入冷却室。

在主流的腔室中，气体流是o的混合物₂， H₂啊,公司₂和N₂以及一些稀有的气体，基于几个真实应用确认。均匀的质量磁通率为31.46kg / s被分配给气体室的入口，以及有关边界条件的其他细节列于表中1．模型的固体壁的假设形成有尼苏术263的材料，这可以从互联网上获取信息[23］.

3.网格化和仿真程序

为了进行数值模拟，本文采用了结构网格。如图所示2，结构化网格被产生到两个域，其代表冷却剂气室和气室分开。在3D情况下，电网敏感性研究从150,000目开始，直到3D域的电池的总数约为500,000时，温度结果变化小于1％。所有有关不同参数和条件的案例都在边界上具有相同的正确设置，并获得了类似的总网格号。孔和别针鳍区附近使用本地网格精制。对于所有情况，内壁表面上的所有节点都有加值小于300。

本研究正在使用基于控制体积方法的商业CFD码，用于预测温度，冲击冷却效果和速度场的ansys-fluent 12.1。所有运行都在PC集群上进行，具有十六级Pentium-4 3.0 GHz个人电脑。稳态溶液的收敛标准通过在2000年迭代中的粒度差异的尺寸率下降了6倍。

4.结果与讨论

基于可靠的计算模型，得到了不同销片直径比下的计算结果以及从针翅阵列到撞击孔阵列的不同分离空间为验证上述CFD模拟结果，进一步研究钉翅引入冲击结构的性能。为了便于分析描述，案例分不同和分别为表1至表102．

4．1.流结构

数字3.显示沿着沿着的流动速度幅度轮廓的一系列-axis在各种情况下。在冷却室中撞击射流的几何中心用红色区域表示，这是冷却孔毫米。冷却剂撞击内壁后，形成涡旋。喷射冲击和由冷却剂流出的涡流冷却内壁的表面。撞击流不能从壁上脱离，但是在撞击射流周围产生三个区域，其被称为自由喷射区域，停滞流动区域和壁射流区域，就像[24］.受冷却剂影响的壁面射流区域显示为浅色区域，可以从每种情况1到10的红色自由射流区域周围识别出来。冷膜层的厚度约为射流直径的一半，在壁面射流区周围非常有效地覆盖了内壁表面。

壳体1被设定为没有销翅片的冷却结构。将案例1与图中的其他案例进行比较3.，可以明显地发现，大多数情况下冷却腔内的速度面积都比情况1大。随着速度的增加，随冷却剂流失的热量增加，对流热效率提高。

在红色虚线的图形中3.2-4例，局部地区比较，均有相同，给出了三种情况下销钉翅片周围不同的流动结构．请注意，在冷却液撞击内壁后，它符合销翅片并被其堵塞并分开;因此，涡旋在外壁和内壁之间形成形状。因此，随着涡旋的暴力流动的增加，传热系数增加。但是在壳体4的轮廓中，销鳍的上游流动的速度并不比下游更快。也就是说，当销翅片从射流的几何中心移位时，撞击孔和销翅片之间的空间进一步使得快速冷却剂无法与销翅片保持联系。简而言之，距离升起明显地减少了针翼在形成湍流中的作用．但是，对于8-10号案件以及5-7何时的情况，的中位数可能是最好的，因为形成的湍流何时更充足从轮廓上看。

4．2.内壁温度和冷却效果

数字4.示出了具有一组改变参数的内壁上温度分布的比较，这是实际情况中的传统模型。该图表明，在销翅片的情况下，停滞流动区域的温度在壳体中的壳体中的温度大致相同，而下温度面积（蓝色区域）大于壳体1的情况，这示出了撞击孔和销翅片的组合对降低滞后流动区域的温度有很好的影响。对于从1到10的所有情况下，不同的颜色分布表示相应的温度，这些温度在温度传奇上详细描述。总体而言，可以得出结论，2-10例中的黄色面积大于案例1;这意味着进口到冲击冷却方式的销鳍结构增强了撞击的冷却效果。

在针肋设计中必须考虑的一个重要因素是针肋阵列与撞击孔阵列之间的分离空间。为了获得足够的湍流，销钉翅片应该放置在下游流的合适位置。因此,数据5(一个)那5 (b),5 (c)给定的温度值如图所示，直线1位于内壁中间5.．它们代表了三种的温度比较在不同的案件单独。它可以从图中观察到5(一个)随着拆卸空间的减小，温度变得越来越低，并且当何时获得最低温度毫米。的mm的情况也可以证明是图中最好的距离5 (c)．但在图5 (b)在上游有一点变化属于0-0.5 m，箱距为mm可以获得较低的平均温度。

冷却效果[22用于检查撞击冷却的性能。定义是 在哪里影响冷却效果，温度是主流,是内壁上的绝对温度，为冷却剂温度。该定义为研究不同钉翅结构的冲击冷却提供了一个合适的参数。数字6.的值配置文件，通过案例2、3、4的对比，可以明显看出，适当增大销翅直径会带来更高的面积．由于冷却剂和销钉翅片之间的接触面积是随着增加，带来更多的热量传递。但它不能公平地显示销翅片诱导的冷却增强，因为案例6似乎有最高的冷却效果值。换句话说，对于不同的情况，需要引入一个加权变量来评价内壁的综合温度。

因此,定义为内壁上的区域加权平均温度;其表达式表示如下： 在哪里为内壁的面积，是墙网的数量，和为网格的总数。

面积加权平均温度用于研究综合温度的值和值能够评估撞击冷却的性能。对于没有薄雾的所有十个案例，在案例6中出现了1174.46 k的最小值，这与冷却效果的描述一致。

4．3．撞击冷却剂中加入雾的影响

薄雾，均匀滴大小和5 μ.M和0.003 kg/s，与进口表面的空气一起注入冷却室。正如介绍中所记载和提到的，向空气中喷射薄雾可以提高冷却效果。小水滴从冷却剂进口的轨迹如图所示7.．

数字7.表明液滴冲击内壁，该内壁从撞击孔中使用冷却剂射流移动。所有液滴都在域之间蒸发毫米,毫米沿着-轴冷却室。但是，不同的情况下，液滴的退出时间不同，并且在不同的鳍片结构中有一定的变化。因此，液滴移动的距离会产生不同的冷却性能和温度分布。

解释薄雾在撞击冷却中添加的效果，比较在不同情况下的情况见图8.包括所有有雾和无雾的箱子。进一步的数据分析见图8.结果表明:与无雾时相比，雾进入冲击冷却室后Tave值从0.19 K下降到26.86 K;通过喷雾冷却和撞击冷却相结合，内壁平均得到8.96 K减少。观察到没有雾的最佳情况是壳体6，实际上如前一段所述，该值为1174.46 k，其减少38.77 k比案例1.同样的情况，当液滴注入冷却剂时，壳体6仍然获得最低区域加权平均温度。

更具数据分析表明，在将各种销翅片结构进口并将雾进入冷却剂时没有明显的压降。因此，通过使用销翅片结构和雾冷却而没有过压力损失，通过使用销钉结构和雾气冷却是一种很好的方法。

结论

从燃气轮机过渡件出发，简化了外壁单排冲击孔的四分之一缸双室模型，本文选取的工况具有高温、高压、冷却剂高速等特点。采用不同的钉翅结构对冲击冷却过程进行了完整的三维数值模拟。对喷雾冷却技术在冲击冷却中的应用进行了试验研究。结果表明，在不造成超压损失的情况下，销翅片可以提高冷却效果。在冷却室内喷雾时，温度会降低。柱翅片参数与进口雾的最佳组合可获得最佳的冲击冷却效率，且无超压降，Tave的最小值可降低42.65 K，这在冷却热部件方面是一个相当大的数值。也就是说，本文的CFD模拟过程和结果对实际加工具有一定的实用价值和理论指导意义。本研究的有效性将在钉翅冲击冷却和雾冷却的进一步研究中得到应用。

命名法

：	销片直径
：	撞击孔的直径
：	从销钉翅片阵列到撞击孔阵列的分离空间
：	内壁面积
：	编号的体积网格
：	内壁的绝对温度
：	冷却剂室内壁面积加权平均温度
：	放电腔室中的体积加权平均压力
那,：	无量纲坐标方向。

希腊符号

：

冷却效果。

后缀

：	主流的流
：	冷却液流
亚历山大-伍尔兹:	绝热墙。

利益冲突

作者声明本文的发表不存在利益冲突。

致谢

该研究得到了吉林省（20126001）的技术开发，是吉林省科技发展计划（20130522150JH）的科技发展计划，高等教育博士学位（第20130061120035号）。

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