进口端壁不重合对跨音速透平叶栅端壁流动和传热特性影响的研究

为了评估燃气轮机燃烧室出口与透平第一级喷嘴导向叶栅端壁不重合对叶栅端壁热负荷分布和运行寿命的影响，采用商用 CFD 软件 ANSYS FLUENT 数值研究了进口端壁不重合度（进口后向台阶结构）对跨声速叶栅端壁流动和传热特性的影响规律。计算了进口湍流强度 Tu1 = 16%、出口马赫数 Ma2 = 0.85 时，2 种进口后向台阶高度（0 mm， 6.78 mm）下，跨音速叶栅端壁传热系数，并与实验结果进行了比较，验证了所提基于 RSM（Reynolds stress model）湍流模型数值方法的准确性。分析了 6 种进口后台阶高度（0 mm、1.5 mm、3 mm、5 mm、6.78 mm、10 mm）下的跨音速叶栅端壁热负荷分布、近端壁二次流结构、后台阶涡系发展和气动损失。研究结果表明：由于进口台阶结构的影响，在叶片前缘上游区域形成了显著的再附着涡、空腔涡和辅助涡等复杂的后台阶流涡系；后台阶流再附着涡系使叶片前缘上游区域形成显著的高传热区；随着进口台阶高度的增大，该高传热区控制面积和传热系数均逐渐增大，最大传热系数增大了 90%~160%，高传热区的位置逐渐向下游移动，形状逐渐由节距方向的“条形”演变为“C”字形，两端向叶栅通道内部迁移；进口台阶结构导致叶栅通道总压损失系数增大了 0.17%~0.45%，台阶高度为 3 mm 时，总压损失系数最大。