氣膜孔幾何結(jié)構(gòu)對(duì)渦輪葉片氣膜冷卻的影響研究.pdf

1、提高透平進(jìn)口溫度是改善燃?xì)廨啓C(jī)性能和提高其經(jīng)濟(jì)性的重要途徑,但卻受到葉片材料耐熱性能的限制,因此必須采取有效的冷卻措施對(duì)渦輪葉片加以保護(hù),使其免受高溫腐蝕或損傷。在眾多的冷卻技術(shù)中,氣膜冷卻己被廣泛地應(yīng)用于壓氣機(jī)、燃燒室尤其是渦輪上,成為發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件的主要冷卻方式之一,它通過(guò)在高溫部件表面開(kāi)設(shè)槽縫或小孔,將冷卻介質(zhì)以橫向射流的形式注入到主流中。在主流的壓力和摩擦力的作用下,射流彎曲并覆蓋于高溫部件表面,形成溫度較低的冷氣膜,從而對(duì)高溫

2、部件起到隔熱和冷卻的作用。
　　 氣膜冷卻效果主要受氣膜孔的幾何結(jié)構(gòu)(包括氣膜孔的噴射角度、孔徑大小、孔長(zhǎng)與孔徑比、孔的間距、孔出口的形狀等)、葉片的幾何參數(shù)和氣膜孔的氣動(dòng)參數(shù)等因素的影響。許多研究表明,射流出口處速度分布很不均勻,流場(chǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,不同氣膜孔結(jié)構(gòu)對(duì)氣膜的附壁性、橫向覆蓋寬度、縱向覆蓋長(zhǎng)度及對(duì)孔口下游的冷卻效果都有很大的影響。因此,詳細(xì)了解不同氣膜孔孔口的流場(chǎng)流動(dòng)特性及傳熱機(jī)理對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)葉片設(shè)計(jì)和實(shí)際氣膜孔的優(yōu)化設(shè)計(jì)

3、起著至關(guān)重要的作用。目前,國(guó)內(nèi)外對(duì)圓柱孔研究的較多,對(duì)其它孔形的研究和對(duì)比相對(duì)較少,近幾年,有學(xué)者嘗試采用縮放槽縫孔、月牙孔以及開(kāi)槽孔等新型孔來(lái)對(duì)氣膜孔的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化,得到了較好的氣膜冷卻效果和孔口氣動(dòng)性能。本課題采用數(shù)值模擬的方法研究了圓柱孔、前向擴(kuò)張孔、月牙孔、開(kāi)槽前向擴(kuò)張孔、縮放槽縫孔以及具有不同橫向槽尺寸的氣膜孔,在射流下游處及展向上的氣膜冷卻效率及流場(chǎng)分布,并將幾種孔形的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了詳細(xì)地對(duì)比分析,揭示了新型氣膜孔結(jié)構(gòu)強(qiáng)化冷

4、卻的原理。針對(duì)縮放槽縫孔,進(jìn)一步詳細(xì)研究了孔長(zhǎng)與孔徑比、氣膜孔間距與孔徑比和冷氣入射角度對(duì)其冷卻效率的影響。另外,本文對(duì)前緣有兩排氣膜孔的對(duì)稱渦輪葉片進(jìn)行了數(shù)值模擬研究,并與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較,詳細(xì)分析了葉片前緣滯止區(qū)附近復(fù)雜的流場(chǎng)特征和冷卻特性以及噴射角和孔間距對(duì)氣膜冷卻效率的影響。本文的主要研究?jī)?nèi)容和結(jié)論如下:
　　 (1)應(yīng)用兩層k-ε湍流模型對(duì)渦輪葉片氣膜冷卻進(jìn)行數(shù)值模擬,采用多重網(wǎng)格方法對(duì)計(jì)算程序加速,利用微分方程建立

5、貼體坐標(biāo)系的網(wǎng)格生成方法生成了氣膜孔射流區(qū)域的三維網(wǎng)格,通過(guò)算例驗(yàn)證,計(jì)算程序?qū)鋮s孔平板氣膜冷卻及葉片前緣氣膜冷卻的主要流動(dòng)特征與冷卻特性具有良好的模擬能力。
　　 (2)模擬計(jì)算了月牙孔、縮放槽縫孔在射流下游處及展向上的氣膜冷卻效率及流場(chǎng)分布,并與常規(guī)圓柱孔進(jìn)行了對(duì)比分析,深入分析新型孔提高氣膜冷卻效率的原理。計(jì)算結(jié)果表明,月牙孔的出口截面積增大,在展向使冷氣向兩側(cè)擴(kuò)張,孔出口形狀可使冷氣流與主流均勻地發(fā)生相互作用,特別是在

6、高吹風(fēng)比時(shí),冷氣可以均勻地覆蓋在壁面,并且削弱了孔口附近反向渦旋對(duì)的強(qiáng)度,其氣膜有效覆蓋面積、平均冷卻效率以及氣膜的均勻性均好于圓柱孔和前向擴(kuò)張孔?？s放槽縫孔在垂直于射流流動(dòng)方向的展向是擴(kuò)張的,在射流流動(dòng)方向是收縮的,使得冷氣流動(dòng)在氣膜孔內(nèi)得以充分發(fā)展,流動(dòng)分離現(xiàn)象幾乎消失,流動(dòng)較規(guī)則,由于其特殊的射流結(jié)構(gòu),致使在孔內(nèi)發(fā)展均勻的高速氣流緊貼出口底平面出流后直接沖刷表面,形成了較大的順壓力梯度,有利于消除射流在孔入口處形成的分離,使射流更

7、易貼近被冷卻壁面,并能有效地抑制反向渦旋對(duì)的產(chǎn)生,整體氣膜冷卻保護(hù)效果較好。
　　 (3)針對(duì)縮放槽縫孔,本文應(yīng)用數(shù)值模擬方法進(jìn)一步詳細(xì)研究了孔長(zhǎng)與孔徑比、氣膜孔間距與孔徑比和冷氣入射角度對(duì)其冷卻效率的影響。結(jié)果表明,在任何吹風(fēng)比下,縮放槽縫孔的冷卻效率都隨著孔長(zhǎng)與孔徑比的增大而增大。對(duì)于同一長(zhǎng)徑比,在氣膜孔下游某位置處,孔與孔之間沿展向的冷卻效率均有不同程度的增加,小吹風(fēng)比時(shí)增加的幅度小,隨著吹風(fēng)比的增大,冷卻效率增加的幅度也

8、隨之增大。在任何吹風(fēng)比下,小角度噴射的冷卻效率較高,并且隨著吹風(fēng)比的增大,小角度噴射優(yōu)于其它噴射角的趨勢(shì)也越來(lái)越大。孔間距較小時(shí),在孔口附近及孔間區(qū)域會(huì)發(fā)生強(qiáng)烈的氣膜干擾,使得孔排的作用類似于單個(gè)孔的效果,冷卻氣膜分布比較集中,在孔口下游近處冷卻效率較高,但是氣膜覆蓋的區(qū)域較小。隨著孔間距的增大,氣膜覆蓋面積增加,孔口附近的冷卻效率低于小孔距,在孔下游遠(yuǎn)處發(fā)生的氣膜干涉較為明顯。
　　 (4)通過(guò)數(shù)值模擬的計(jì)算方法,研究了具有六

9、種不同開(kāi)槽尺寸的氣膜孔在射流下游處及展向上的氣膜冷卻效率及流場(chǎng)分布,將幾種開(kāi)槽孔的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了詳細(xì)地對(duì)比分析,分析了橫向槽的作用機(jī)理。計(jì)算結(jié)果表明,在任何吹風(fēng)比下,所有開(kāi)槽氣膜孔沿孔排下游及展向的冷卻效率均高于圓柱孔,這種趨勢(shì)隨著吹風(fēng)比的增大而日益明顯。在低吹風(fēng)比時(shí),幾種開(kāi)槽尺寸的冷卻效率相差不大。隨著吹風(fēng)比的增大,不同開(kāi)槽孔冷卻效率的變化趨勢(shì)不盡相同。不同開(kāi)槽尺寸對(duì)氣膜冷卻性能的影響較復(fù)雜,在本文研究的條件下,具有中等開(kāi)槽深度和最大

10、開(kāi)槽寬度的開(kāi)槽孔,氣膜孔下游較大范圍內(nèi)的溫度處于較低水平,且孔口處射流中心軸線離壁面較近,其氣膜有效覆蓋面積、平均冷卻效率以及氣膜覆蓋的均勻性都好于其它幾種開(kāi)槽孔,因而具有最佳的氣膜冷卻效果,并且孔下游及展向的冷卻效率隨著吹風(fēng)比的增大而增大。而具有最大開(kāi)槽深度的開(kāi)槽孔,較低溫度覆蓋的范圍最窄,射流抬離壁面,射流的附壁性差,因而冷卻效果較差。
　　 (5)本文對(duì)葉片前緣滯止區(qū)附近雙排孔噴射的復(fù)雜流場(chǎng)特征和冷卻特性以及噴射角和孔間距

11、對(duì)雙排孔氣膜冷卻效率的影響進(jìn)行了數(shù)值研究。結(jié)果表明,對(duì)于位于前緣滯止線附近的第一排孔,存在較大的順壓力梯度,這一較大的順壓力梯度有利于冷氣流向冷氣孔下游均一地發(fā)展。第二排孔冷氣射流處于低壓區(qū),冷氣射流在與主流相互作用的過(guò)程中,由于冷氣射流對(duì)主流的阻礙,在冷氣孔后部區(qū)域生成了一對(duì)旋轉(zhuǎn)方向相反的旋渦,使得冷氣射流抬離壁面向冷氣孔下游發(fā)展。由于主流與冷氣射流的摻混作用,冷氣射流在向下游運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中又重新貼近壁面。減小噴射角度可以減小反向渦旋對(duì)