摘要
重型燃气轮机发展的迫切需求对透平等热端部件的冷却提出了要求，作为一种高性能的冷却形式，气膜冷却技术的发展对于提高燃气轮机的性能、可靠性和环保性具有重要意义，是燃气轮机技术持续进步的关键驱动力之一。计算机技术的发展为计算机辅助的自动优化设计技术在涡轮设计中的应用提供了便利，也为高精度的数值模拟在气膜冷却研究中的应用提供了可能，从长远角度看，涡轮叶型的优化需为后续的气膜设计提供一定的便利，尤其考虑到涡轮前温度的不断提高要求更多用于冷却的高压空气进入，导致冷气掺混对叶栅流场结构的影响增大，有必要利用高精度的数值模拟深入探讨叶栅主流条件下气膜冷却的损失规律和机理。本研究旨在深入分析燃气轮机气冷涡轮叶型的气动损失机制，并探索高效的叶型设计方法，在跨声速涡轮叶型设计中实现精细化的型面控制，并开展叶栅风洞实验以验证数值方法的准确性。 首先根据跨声速涡轮叶片的流动特点，在Pritchard涡轮叶型基础上，提出了基于Bezier曲线构型的“12+7参数化造型方法”，以精细调节各段曲线的曲率分布，并通过集成自主涡轮叶型造型程序、人工神经网络及商用CFD软件，搭建了可考虑冷气的涡轮叶型数值优化平台，对典型重燃透平一级导叶开展了考虑冷气出流影响的叶型优化研究，优化变量包括安装角、后弯角、前缘半楔角以及吸力面Bezier曲线控制系数LLS1和LLS2，优化目标为总压损失系数最小。结果表明：经过优化后的叶型模拟与实验拟合良好，总压损失系数减小了7.23%，能量损失系数减小了7.76%，气动性能得到增强。 而后应用数值计算与理论分析相结合的方法，对优化后的叶型进行了RANS计算，研究在不同吹风比条件下压力面和吸力面不同冷气射流位置对气动损失的影响，结合叶栅流场的细节变化，探究气动损失的机理，并通过将掺混损失从气动损失中分离，为附面层损失和尾迹损失的研究提供定性指导，以此为基础，又研究了不同冷气射流角及孔型对于气动损失的影响。结果表明：冷气出流会影响叶片型面静压分布，对吸力面的影响较为明显，叶片吸力面有冷气出流时，在低吹风比工况下存在气动损失“惩罚”机制，冷气出流会使边界层损失增大，且吸力面的边界层损失远高于压力面；尾缘处的边界层厚度增加会使得尾迹损失增大；叶片压力面有冷气出流时，其总压损失的大小与气膜孔位置关系较小，而受相对冷气流量影响较大，据此可以得到预测掺混损失的关系式，为气动损失的定性研究提供一定的指导；减小射流角和使用成型孔一定程度上可以减小气动损失。 最后针对RANS计算的结果，选择了有代表性的冷气出流位置，对涡轮导叶叶型进行叶栅主流条件下气膜冷却的LES计算，结合流场的非定常特征以及湍流拟序结构的演化，分析气膜冷却流场的流动损失机理，结果表明：肾形涡对与反肾形涡对的尺度和强度关系共同决定主流与冷气之间的相互作用关系，前者的卷吸作用不利于冷气在壁面的覆盖，后者则能抑制这一作用，压力面冷气出流产生的肾形涡对强于反肾形涡对，随着流向发展，肾形涡对和反肾形涡对都会减弱；近场区域湍动能较高，吸力面冷气出流湍动能高于压力面，随流向发展动能耗散，脉动速度峰值降低；吸力面冷气覆盖效果整体优于压力面，低吹风比时冷气具有更强的壁面贴附性和展向扩散性，整体冷气覆盖效果优于高吹风比；冷气射流与主流相干作用形成复杂的涡旋结构，包括马蹄涡、肾形涡、射流剪切层涡和尾迹涡，在近场区域占据主导，肾形涡对应发卡涡的水平涡腿，反肾形涡对应马蹄涡涡腿；吸力面冷气出流产生的马蹄涡强于压力面，低吹风比时马蹄涡强于高吹风比；低吹风比时，压力面上可见完整连贯的发卡涡，吹风比增大至一定程度，能观察到类似封闭的环状结构，而吸力面由于主流流速高，马蹄涡强度大，干扰了发卡涡的形成；最终，发卡涡和马蹄涡等大尺度拟序结构破碎形成小尺度涡旋结构，在远场区域占据主导。
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