渦輪葉片內(nèi)冷結(jié)構(gòu)對外部氣膜冷卻特性的影響研究.pdf

1、現(xiàn)代高溫燃氣渦輪葉片常用的冷卻結(jié)構(gòu)為內(nèi)外復(fù)合冷卻結(jié)構(gòu)。冷卻氣體在葉片內(nèi)部通道流動吸熱后從氣膜孔噴出實施氣膜冷卻，因此葉片內(nèi)部結(jié)構(gòu)對外部氣膜冷卻有著重要的影響。但是，由于內(nèi)、外部流動換熱機理有很大差別，因此，到目前為止，這兩部分的流動換熱特性多是分開單獨進行研究的。近年來，隨著設(shè)計要求的不斷提高，進行葉片冷卻結(jié)構(gòu)精細化設(shè)計已成為趨勢，必須了解在不同內(nèi)部冷卻結(jié)構(gòu)下的氣膜冷卻特性，以便于在渦輪葉片設(shè)計中進行準確的熱分析。
　　為了研究內(nèi)

2、冷結(jié)構(gòu)對外部氣膜冷卻特性的影響，本文分別建立了有內(nèi)冷結(jié)構(gòu)影響的氣膜冷卻特性實驗系統(tǒng)和無內(nèi)冷結(jié)構(gòu)影響的氣膜冷卻特性實驗系統(tǒng)。對于各實驗結(jié)構(gòu)，建立了相應(yīng)的數(shù)值模擬計算模型，分析了各結(jié)構(gòu)下的流動機理。關(guān)于內(nèi)冷結(jié)構(gòu)影響，文中主要分析了光滑內(nèi)冷通道內(nèi)部橫流、帶肋內(nèi)冷通道內(nèi)部肋角度與內(nèi)部肋位置三方面因素。
　　關(guān)于光滑內(nèi)冷通道內(nèi)部橫流的影響，文中主要對比分析了光滑橫流通道結(jié)構(gòu)與無內(nèi)冷影響的大腔進氣結(jié)構(gòu)。研究表明光滑內(nèi)冷通道內(nèi)部橫流影響下氣流流

3、動結(jié)構(gòu)與大腔進氣結(jié)構(gòu)有明顯不同：在氣膜孔進口，部分內(nèi)部氣流會在沖擊氣膜孔壁面后向下流出氣膜孔，使得氣膜孔進口面積相對減??；在氣膜孔內(nèi)部，流線呈螺旋狀分布，其中貼壁處螺旋線的螺距較大，中間的螺距較小；氣膜孔出口，由于氣流螺旋狀流動，會形成出口堵塞，并且使得氣膜孔出口射流分成兩股；在氣膜孔下游，兩股射流各自形成一組對轉(zhuǎn)渦，對氣膜冷卻效率與換熱系數(shù)分布產(chǎn)生較大影響。實驗結(jié)果顯示：小吹風(fēng)比下，橫流越強，冷卻效率越低，大吹風(fēng)比下，橫流越強，冷卻效

4、率越高；對于換熱系數(shù)，橫流越強，換熱系數(shù)越高；另外，內(nèi)部有橫流條件下，氣流需克服自身動量旋轉(zhuǎn)一定的角度流入氣膜孔，在這一過程中出現(xiàn)較大的流動損失，流量系數(shù)減小，橫流越強，氣膜孔流量系數(shù)越小。
　　關(guān)于帶肋內(nèi)冷通道內(nèi)部肋角度的影響，文中主要對比分析了135°肋橫流通道結(jié)構(gòu)與45°肋橫流通道結(jié)構(gòu)。研究表明，肋結(jié)構(gòu)的存在，使得通道內(nèi)部氣流發(fā)生強烈的二次旋流，不同的肋角度則導(dǎo)致了不同的二次旋流旋轉(zhuǎn)方向：在135°肋通道中通道上部分旋渦順時

5、針方向旋轉(zhuǎn)，與氣膜孔傾斜方向相近，使得氣流較易流入氣膜孔；而45°肋結(jié)構(gòu)中，通道上部分旋渦逆時針方向旋轉(zhuǎn)，與氣膜孔傾斜方向相反，氣流更難流入氣膜孔。內(nèi)部旋流影響了氣膜孔進口速度分布，135°肋結(jié)構(gòu)中法向速度高速區(qū)位于進口左側(cè)，右側(cè)則出現(xiàn)負值區(qū)域，而45°肋結(jié)構(gòu)正好相反。不同的進口速度分布導(dǎo)致了不同的孔內(nèi)流動結(jié)構(gòu)與出口射流結(jié)構(gòu)：135°肋結(jié)構(gòu)下，小吹風(fēng)比下孔內(nèi)流線為直線并且出口射流也只有一股，大吹風(fēng)比下孔內(nèi)出現(xiàn)部分螺旋線同時出口射流略微分

6、開成兩股；45°肋結(jié)構(gòu)下，孔內(nèi)為螺旋狀流線，類似于光滑橫流通道結(jié)構(gòu)，出口速度分布與出口射流結(jié)構(gòu)也比較類似。不同的肋角度下出口射流結(jié)構(gòu)不同，影響了對應(yīng)的耦合渦結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致了不同的氣膜冷卻效率與換熱系數(shù)分布。實驗結(jié)果顯示：對于基礎(chǔ)圓柱孔型，小吹風(fēng)比下135°肋結(jié)構(gòu)下冷卻效率最高，大吹風(fēng)比下兩種肋結(jié)構(gòu)的冷卻效率均低于光滑橫流通道結(jié)構(gòu)，對于帶展向偏角的圓柱孔型，在各吹風(fēng)比下45°肋結(jié)構(gòu)的氣膜冷卻效率均為最高；關(guān)于換熱系數(shù)，兩種氣膜孔型下均表現(xiàn)為1

7、35°肋結(jié)構(gòu)下的換熱系數(shù)較低，45°肋結(jié)構(gòu)下的換熱系數(shù)較高；關(guān)于氣膜孔流量系數(shù)，135°肋結(jié)構(gòu)下流量系數(shù)最高，45°肋結(jié)構(gòu)下流量系數(shù)最低。
　　關(guān)于帶肋內(nèi)冷通道內(nèi)部肋位置的影響，文中主要對比分析孔在肋后，孔在肋中和孔在肋前三種結(jié)構(gòu)。隨著氣膜孔與肋位置相對向后移動，從靠近前一個肋（孔在肋后）到靠近后一個肋（孔在肋前），進入氣膜孔的氣流在通道內(nèi)形成的旋流逐漸減少，在氣膜孔進口截面的旋流相應(yīng)減弱，進口堵塞減小，孔內(nèi)速度分離略有減少，對應(yīng)

8、的氣膜孔流量系數(shù)略有增大。在兩種肋角度下，肋位置改變時氣膜孔出口射流結(jié)構(gòu)均無明顯變化，因此下游氣膜冷卻效率與換熱系數(shù)分布也基本一致。
　　在研究光滑內(nèi)冷通道內(nèi)部橫流和帶肋內(nèi)冷通道內(nèi)部肋角度影響時，文中分別分析了基礎(chǔ)圓柱孔型和帶展向偏角的圓柱孔型。對比兩種圓柱孔型的實驗結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)：在相應(yīng)的四種內(nèi)冷結(jié)構(gòu)下，帶展向偏角的圓柱孔型的流量系數(shù)均高于基礎(chǔ)圓柱孔型；而關(guān)于氣膜冷卻效率，在無內(nèi)冷結(jié)構(gòu)與45°肋結(jié)構(gòu)下，帶展向偏角的圓柱孔型的氣膜冷

9、卻效率高于基礎(chǔ)圓柱孔型，但是在光滑橫流通道結(jié)構(gòu)與135°肋結(jié)構(gòu)下氣膜效率卻低于基礎(chǔ)圓柱孔型。因此，為了保持帶展向偏角的圓柱孔型的高流量系數(shù)并改進氣膜冷卻效率，文中關(guān)于帶展向偏角的圓柱孔型作出了三種改型方案：1）在氣膜孔出口沿展向偏斜方向使用圓柱孔型擴張；2）在氣膜孔出口沿X方向使用圓柱孔型擴張；3）綜合前兩種擴張形式。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，改型3既能增強氣膜展向覆蓋，還能延緩冷卻效率沿流向的下降速度，使得氣膜冷卻效率大幅上升。針對最佳改型（改型3）