C3X涡轮叶片综合冷却效率数值研究

燃气轮机叶片综合冷却效率实验中，实验工况与实际运行工况不一致，使应用实验结果的叶片设计出现偏差，从而达不到预期冷却效果。根据一维公式提出的理论选取对综合冷却效率造成影响的参数。通过研究不同参数下C3X叶片综合冷却效率的变化情况，量化选取的参数对综合冷却效率的影响，得到了毕渥数、粗糙度对叶片综合冷却效率的影响规律。研究结果表明：随着叶片外表面毕渥数增加，综合冷却效率分布均匀性增加。当Bi由0.023227增加至0.023252，Bi增加幅度0.11%时，平均综合冷却效率由0.324增加至0.357，综合冷却效率增加幅度为10.2%。在实验工况范围内，当Ks由0.8 mm增加至3.0 mm，平均综合冷却效率由0.34增加至0.37，综合冷却效率增加幅度为8.82%。

提高燃气轮机热效率最有效的方式之一是合理提高涡前进口温度，但日益增加的进口温度，对叶片材料以及冷却设计方案提出了更高要求。受限于湍流模型的能力，验证涡轮叶片冷却结构设计合理性主要采取实验的方式。燃气轮机叶片综合冷效实验中，实验工况与实际运行工况不一致，使应用实验结果的实际叶片设计出现偏差，从而达不到预期冷却效果。通过研究不同工况下C3X 叶片综合冷效的变化情况，量化不同参数对综合冷却效率的影响，得到了毕渥数、粗糙度对叶中综合冷却效率和平均综合冷却效率的影响规律。对实验结果与实际工况之间的偏差估计提供了一定的依据。

York [1]和Facchini 等[2]分别采用Fluent5 和STAR-CD 计算流体力学求解器对C3X 叶片进行了共轭传热数值计算。结果显示realizable kω−和standard kω−模型预测结果与实验结果基本一致，综合冷效的最大误差为10%。Luo 等[3]比较了不同湍流模型预测结果与实验数据的差异情况，选取了低雷诺数kω−模型、非线性二次kω−模型、V2F 湍流模型三种模型。计算结果显示三种模型对流动情况的预测与实验值吻合较高，并且V2F 模型对叶片外表面和内冷通道壁面换热系数的预测与实验值最为接近。

Takahashi 等[4]在共轭传热的情况下对燃气轮机动叶进行了数值计算， 预测得到的叶片冷效较低位置同实际工作叶片高温烧蚀位置相同。

安柏涛等人[5] [6]对照Mark II 和C3X 叶片的实验数据，测试了CFX 求解器的气热耦合数值计算能力，研究了湍流度与湍流模型对计算结果的影响，发现边界层内的流体运动状态对叶片表面换热有很大影响。

Bohn 等[7]研究了共轭换热条件下内部带有对流换热冷却通道的燃气轮机叶片， 并与实验数据对比， 同时也研究了肋结构对冷气流动状态和内表面换热情况的影响。

陈毅[8]在耦合实验条件下的平板气膜冷却效率实验中，通过采用不同材质的实验件的方法，研究了吹风比和毕渥数对综合冷却效率的影响。提出随着吹风比的增加，平均综合冷却效率在实验件下游变化比上游小。导热系数较低的PTFE 材料实验件外表面综合冷效受冲击冷却的影响很小。

Chavez [9]通过更换不同材质叶片的方式， 使得模型试验中叶片主流侧毕渥数和燃气轮机实际工况毕渥数相匹配， 研究了不同参数对绝热冷却效率和综合冷却效率的影响。

Williams [10]实验研究了吹风比对综合冷却效率和绝热冷却效率的影响，结果在高吹风比下由于气膜脱离壁面现象的出现，绝热冷却效率反而下降。得益于耦合换热条件下内冷通道壁面对流换热对叶片外表面冷效的贡献作用，综合冷效是有所增加的。同时还使用一维公式的预测值与实验结果进行了对比，结果显示在预测数量上有所偏差，但是冷效趋势与实验值是相同的。