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[摘要]为了提升燃气汽轮机动叶气膜的工作效果，研究人员将Real湍流模型应用于其中，从而实现了动叶气膜冷却效果的有效提升。本文根据以往工作经验，对气膜冷却过程中的计算方式进行总结，并从压力面的影响、吸力面的影响、气膜冷却效果的总结性能对比、主流湍流度对冷却效率的影响四方面，论述了孔间距对燃气轮机动叶气膜冷却效果的影响。
[关键词]孔间距；燃气轮机；动叶气膜
中图分类号：F230-4 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）40-0039-01
前言：在现代重型燃气轮机使用过程中，人们对透平入口的温度要求已经远远超过了相关材料的承受范围。因此，人们必须对热障涂层和多种冷却技术进行使用，以此来保证热端部件在工作过程中的使用寿命。另外，由于气膜冷却技术的发展，已经在燃气轮机中的热端部件中得到了应用，并逐渐演变成透平叶片中的一种重要冷卻方式。
1.气膜冷却过程中的计算方式
1.1几何模型及网格生成
为了方便研究，本文参考某重型燃气轮机透平第一级的结构参数，从而实现三维实体模型的有效建立。在该模型之中，叶片弦长度为108.75mm，叶高171.58mm。另外，该种设备使用过程中，前缘便包括了5排孔洞，压力面包含6排孔洞，在各个孔洞排列过程中，以交叉排列方式为主，主要目的是让冷却气体能够更加均匀的形成气膜，这样一来，在隔离高温燃气的同时，还能对具体的叶片进行保护。在燃气轮机使用过程中，由于表面中存在较多的冷气喷射孔覆盖，而且在排列方式上存在很大区别，这些都会给网格划分产生很多困难。因此，很多研究人员在计算区域的网格划分过程中使用了Ansys模型，为相关计算和划分工作提供了方便，该种结构划分形式也被称之为结构化网格。当吹风比M=0.6时，人们可以对网格加密结果进行比较，所提取的数据中气膜的冷却率为n，可以将具体的原点作为孔排的中心位置。为了方便计算，可以将d作为孔径代表，此时二次流与主流混合下的归一化长度为X/d。
1.2边界条件
整体来看，在近壁区流动计算过程中，可以利用壁面函数法对各种数据进行处理，假定壁面在使用过程中没有体现出滑移效果，在此种状态之下，叶片表面为绝热表面，此时雷诺数Re的计算方式如下：
Re=Ud/v
在该式中，U代表流体的整体流速，单位为m/s，v为运动黏度，单位为㎡/s。为了对两侧的周期性边界条件进行计算，人们可以将壁面全部设置成为绝热壁面，主流人口为压力入口，压力在1671180Pa左右，温度为1593K。另外，人们可以将压力出口设置成气体出口，压力保持在831430Pa便可以满足使用条件。在后续操作过程中，人们可以通过射流入口压力的改变，对不同的吹风比M进行确定，最终得到主流与射流密度比为DR=2。
2.孔间距对燃气轮机动叶气膜冷却效果的影响
2.1压力面的影响
在燃气轮机动叶气膜冷却过程中，行间距的计算数值为2，计算方式为S/d，当湍流度T=5%时，叶片压力面的冷却效率得到了进一步提升。如果能够保持其他条件不变，随着吹风比数值的增加，压力面孔排下游的冷却效率将会得到进一步提升。在M=6时，冷却射流将会从气膜孔内进行流出，冷气的覆盖区域也会得到降低。当M值变为1.4时，冷却射流量也会出现变化，当数值增大之后，相互联系之间的设备也会出现更大作用，避免主流影响幅度越来越大。在吹风比保持不变时，n的具体大小呈现出上升趋势，出现这种情况的原因是冷却孔射流量降低，在与主流掺混之后，将会直接对叶片壁加热。另外，站在另一个研究角度来说，无论在压力前缘还是后缘之中，孔排下游的区域气膜均会体现出下降趋势，在冷却射流动量降低过程中，更需要对透气膜壁进行深入加热，从而降低冷却效率[1]。
2.2吸力面影响
在其他条件保持不变的情况下，人们可以通过吹风比的不断增加，吸力面综合气膜的工作效率也会得到相应提升，在这一规律的确定上，与压力面的综合规律也极为相似，且由于叠加效果的进一步提升，整体的冷却效率也会高出前缘水平。另外，从吹风比的变化过程中可以看出，当M从0.6向1增大时，气膜冷却效率的增加幅度要远远超过M值的增加，从这里也可以看出，当孔间距一定的情况下，随着吹风比的逐渐提升，吸力面的综合冷却效率增长幅度也出现了大幅度降低。因此，在孔间距条件一定情况下，需要对最佳吹风比进行确定。当孔间距的距离为4时，湍流度T=5%，此时吸力面气膜冷却效率分布图也会得到实时显示。相比之下，在吹风比不变时，如果孔间距出现不断变化时，气膜冷却效率也呈现出明显下降趋势，这其中的主要原因便是在孔间距提升过程中，相邻之间的气膜孔作用也会进一步降低，这也使得掺混作用力得到了提升。
2.3气膜冷却效果的总结性能对比
为了对观察效果进行全面考察，人们需要将不同孔间距之下的膜冷却效果进行分析并展示出来，还可以通过对有效覆盖比、气膜平均冷却效率及均匀系数三个参数的数值显示，将气膜冷却效果整体性反应出来，从而对其进行全面评价。根据相关数据统计显示，A会随着吹风比的数值增大而增大，这与吹风比的气膜覆盖面积增大存在直接关系。在同一吹风比下，如果孔间距较小，n值的变化程度也要大于具体的孔间距。而在孔间距距离较大时，如果吹风比能够得到进一步提升，在吹风比降低之后，孔间距系数也会得到增加。如果当孔间距的幅度数值小，说明此时的吹风比也会得到增加，气膜孔的覆盖程度也会呈现出较好趋势。
2.4主流湍流度对冷却效率的影响
为了方便对主流湍流度的影响进行研究，当吹风比M=1.4时，研究人员可以对孔间距S/d中的冷却效率分布图进行研究。在吹风比保持1.4不变时，如果孔间距不变，主流湍流度越小，冷却效率也会较高。当主流湍流率得到提升之后，冷却效果便会出现下降，但从整体影响幅度来看，随着孔间距的降低，气膜冷却效率受主流湍流度的影响也会越来越明显。另外，在吹风比保持一定情况之下，叶片压力面中的冷却效率会由于不同的工作状态而发生改变。当孔间距为4时，高主流湍流度之下的气膜主要与湍流度的冷却效率类似，但当X/d>10之后，由于作用区域不同，如果湍流度较好，冷气的贴壁性能也会变得更好。如果吹风机继续保持在1.4时，如果孔间距保持不变，主流湍流度的综合效率也会高出主流湍流度很高，同时也会带动主流湍流度的冷却效率，出现这种情况的主要原因便是自身形状为凸型[2]。
总结：综上所述，在相同吹风比条件下，随着孔间距的逐渐增加，冷却气体的覆盖程度也会得到提升。当叶片前缘孔排中的冷却气体得到叠加之后，气膜的冷却效率也会得到进一步提升。另外，随着吹风比的进一步提升，叶片综合冷却效率也会出现明显上升，当孔间距保持在数值2不变时，前后缘的排气膜冷却效率分布规律也会保持一致。
参考文献：
[1]杨宏民，邢述团，陈立伟.本煤层抽采非等间距布孔及抽采效果评价方法研究[J].煤矿安全，2018，49（02）：147-150.
[2]唐学智，李录平，钟万里.孔间距对燃气轮机动叶气膜冷却效果的影响[J].动力工程学报，2018，38（02）：105-113+131.
[关键词]孔间距；燃气轮机；动叶气膜
中图分类号：F230-4 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）40-0039-01
前言：在现代重型燃气轮机使用过程中，人们对透平入口的温度要求已经远远超过了相关材料的承受范围。因此，人们必须对热障涂层和多种冷却技术进行使用，以此来保证热端部件在工作过程中的使用寿命。另外，由于气膜冷却技术的发展，已经在燃气轮机中的热端部件中得到了应用，并逐渐演变成透平叶片中的一种重要冷卻方式。
1.气膜冷却过程中的计算方式
1.1几何模型及网格生成
为了方便研究，本文参考某重型燃气轮机透平第一级的结构参数，从而实现三维实体模型的有效建立。在该模型之中，叶片弦长度为108.75mm，叶高171.58mm。另外，该种设备使用过程中，前缘便包括了5排孔洞，压力面包含6排孔洞，在各个孔洞排列过程中，以交叉排列方式为主，主要目的是让冷却气体能够更加均匀的形成气膜，这样一来，在隔离高温燃气的同时，还能对具体的叶片进行保护。在燃气轮机使用过程中，由于表面中存在较多的冷气喷射孔覆盖，而且在排列方式上存在很大区别，这些都会给网格划分产生很多困难。因此，很多研究人员在计算区域的网格划分过程中使用了Ansys模型，为相关计算和划分工作提供了方便，该种结构划分形式也被称之为结构化网格。当吹风比M=0.6时，人们可以对网格加密结果进行比较，所提取的数据中气膜的冷却率为n，可以将具体的原点作为孔排的中心位置。为了方便计算，可以将d作为孔径代表，此时二次流与主流混合下的归一化长度为X/d。
1.2边界条件
整体来看，在近壁区流动计算过程中，可以利用壁面函数法对各种数据进行处理，假定壁面在使用过程中没有体现出滑移效果，在此种状态之下，叶片表面为绝热表面，此时雷诺数Re的计算方式如下：
Re=Ud/v
在该式中，U代表流体的整体流速，单位为m/s，v为运动黏度，单位为㎡/s。为了对两侧的周期性边界条件进行计算，人们可以将壁面全部设置成为绝热壁面，主流人口为压力入口，压力在1671180Pa左右，温度为1593K。另外，人们可以将压力出口设置成气体出口，压力保持在831430Pa便可以满足使用条件。在后续操作过程中，人们可以通过射流入口压力的改变，对不同的吹风比M进行确定，最终得到主流与射流密度比为DR=2。
2.孔间距对燃气轮机动叶气膜冷却效果的影响
2.1压力面的影响
在燃气轮机动叶气膜冷却过程中，行间距的计算数值为2，计算方式为S/d，当湍流度T=5%时，叶片压力面的冷却效率得到了进一步提升。如果能够保持其他条件不变，随着吹风比数值的增加，压力面孔排下游的冷却效率将会得到进一步提升。在M=6时，冷却射流将会从气膜孔内进行流出，冷气的覆盖区域也会得到降低。当M值变为1.4时，冷却射流量也会出现变化，当数值增大之后，相互联系之间的设备也会出现更大作用，避免主流影响幅度越来越大。在吹风比保持不变时，n的具体大小呈现出上升趋势，出现这种情况的原因是冷却孔射流量降低，在与主流掺混之后，将会直接对叶片壁加热。另外，站在另一个研究角度来说，无论在压力前缘还是后缘之中，孔排下游的区域气膜均会体现出下降趋势，在冷却射流动量降低过程中，更需要对透气膜壁进行深入加热，从而降低冷却效率[1]。
2.2吸力面影响
在其他条件保持不变的情况下，人们可以通过吹风比的不断增加，吸力面综合气膜的工作效率也会得到相应提升，在这一规律的确定上，与压力面的综合规律也极为相似，且由于叠加效果的进一步提升，整体的冷却效率也会高出前缘水平。另外，从吹风比的变化过程中可以看出，当M从0.6向1增大时，气膜冷却效率的增加幅度要远远超过M值的增加，从这里也可以看出，当孔间距一定的情况下，随着吹风比的逐渐提升，吸力面的综合冷却效率增长幅度也出现了大幅度降低。因此，在孔间距条件一定情况下，需要对最佳吹风比进行确定。当孔间距的距离为4时，湍流度T=5%，此时吸力面气膜冷却效率分布图也会得到实时显示。相比之下，在吹风比不变时，如果孔间距出现不断变化时，气膜冷却效率也呈现出明显下降趋势，这其中的主要原因便是在孔间距提升过程中，相邻之间的气膜孔作用也会进一步降低，这也使得掺混作用力得到了提升。
2.3气膜冷却效果的总结性能对比
为了对观察效果进行全面考察，人们需要将不同孔间距之下的膜冷却效果进行分析并展示出来，还可以通过对有效覆盖比、气膜平均冷却效率及均匀系数三个参数的数值显示，将气膜冷却效果整体性反应出来，从而对其进行全面评价。根据相关数据统计显示，A会随着吹风比的数值增大而增大，这与吹风比的气膜覆盖面积增大存在直接关系。在同一吹风比下，如果孔间距较小，n值的变化程度也要大于具体的孔间距。而在孔间距距离较大时，如果吹风比能够得到进一步提升，在吹风比降低之后，孔间距系数也会得到增加。如果当孔间距的幅度数值小，说明此时的吹风比也会得到增加，气膜孔的覆盖程度也会呈现出较好趋势。
2.4主流湍流度对冷却效率的影响
为了方便对主流湍流度的影响进行研究，当吹风比M=1.4时，研究人员可以对孔间距S/d中的冷却效率分布图进行研究。在吹风比保持1.4不变时，如果孔间距不变，主流湍流度越小，冷却效率也会较高。当主流湍流率得到提升之后，冷却效果便会出现下降，但从整体影响幅度来看，随着孔间距的降低，气膜冷却效率受主流湍流度的影响也会越来越明显。另外，在吹风比保持一定情况之下，叶片压力面中的冷却效率会由于不同的工作状态而发生改变。当孔间距为4时，高主流湍流度之下的气膜主要与湍流度的冷却效率类似，但当X/d>10之后，由于作用区域不同，如果湍流度较好，冷气的贴壁性能也会变得更好。如果吹风机继续保持在1.4时，如果孔间距保持不变，主流湍流度的综合效率也会高出主流湍流度很高，同时也会带动主流湍流度的冷却效率，出现这种情况的主要原因便是自身形状为凸型[2]。
总结：综上所述，在相同吹风比条件下，随着孔间距的逐渐增加，冷却气体的覆盖程度也会得到提升。当叶片前缘孔排中的冷却气体得到叠加之后，气膜的冷却效率也会得到进一步提升。另外，随着吹风比的进一步提升，叶片综合冷却效率也会出现明显上升，当孔间距保持在数值2不变时，前后缘的排气膜冷却效率分布规律也会保持一致。
参考文献：
[1]杨宏民，邢述团，陈立伟.本煤层抽采非等间距布孔及抽采效果评价方法研究[J].煤矿安全，2018，49（02）：147-150.
[2]唐学智，李录平，钟万里.孔间距对燃气轮机动叶气膜冷却效果的影响[J].动力工程学报，2018，38（02）：105-113+131.