相反展向復合角氣膜冷卻特性及應用研究.pdf

1、相反展向復合角氣膜冷卻是新發(fā)展的眾多氣膜冷卻結構的一種，其實現(xiàn)方法簡單，通過將上游和下游氣膜孔相反的展向角布置使氣膜射流形成反腎形渦對從而得到很高的冷卻效率，適合全氣膜渦輪葉片結構，本文以此為研究背景，對相反展向復合角氣膜冷卻的流動和換熱特性開展了數(shù)值和實驗研究。研究內容主要包含三個方面：1、針對相反展向復合角冷卻結構，分析和探討流動傳熱特性，揭示其強化冷卻效率的物理機制，系統(tǒng)研究氣膜孔、主流通道的結構、流動參數(shù)對于冷卻特性的影響規(guī)律。

2、2、對影響陣列相反展向復合角氣膜冷卻效率的相關因素進行敏感性分析。研究陣列相反展向復合角氣膜冷卻結構、流動參數(shù)對氣膜冷卻特性的影響。3、采用簡化的相反展向復合角氣膜冷卻渦輪葉片，在發(fā)動機真實工況下，研究流動參數(shù)和結構參數(shù)對葉片的冷卻特性以及氣動特性的影響，并提出了能兼顧葉片冷卻特性與氣動特性的相反展向復合角氣膜冷卻孔布置方法。
　　首先對單排相反展向復合角氣膜孔冷卻的流場結構與冷卻特性進行分析，可知反腎形渦對的形成原因是：前孔漩渦

3、受后孔射流影響形成新的誘導漩渦，誘導渦取代原來的前孔漩渦與后孔漩渦一起組成反腎形渦對，將冷氣推向氣膜孔中心線的兩側。結構參數(shù)與流動參數(shù)改變，均可以改變后孔射流對前孔產生的漩渦的影響程度，進而改變反腎形渦對漩渦中心距離與渦心周圍流體的旋轉速度。反腎形渦對漩渦中心距離增加，渦心周圍流體的旋轉速度增加有利于增強冷氣側向覆蓋，提高冷卻效率，但是在下游主流被卷吸的程度會加劇，降低冷卻效果。進一步的研究表明，吹風比增加、展向角度增加、流向角度減小、

4、主流雷諾數(shù)增加、溫比增加、逆壓力梯度與凹面均可以增加反腎形渦對漩渦中心距離或提高渦心周圍流體的旋轉速度。激波的影響相對特殊，激波反射點在前孔與后孔之間冷卻效率下降較大。
　　其次對陣列相反展向復合角氣膜冷卻特性進行分析，陣列相反展向復合角氣膜冷卻依靠持續(xù)的冷氣注入來維持反腎形渦對，可以得到很高的冷卻效率。通過正交試驗得出在試驗參數(shù)范圍內，對平均冷卻效率影響程度由高到低依次為：開孔率，吹風比，長寬比，展向角；對平均換熱系數(shù)影響程度由

5、高到低的因素依次為：吹風比，開孔率，展向角，長寬比。在模擬發(fā)動機實際工況下，30°相反展向復合角氣膜冷卻效率最高。在低雷諾數(shù)與高溫比的實驗工況下，45°相反展向復合角氣膜冷卻效率最高，并且相同角度下，相反展向復合角氣膜冷卻效率均高于相同展向復合角。展向角度改變對流量系數(shù)影響很小。
　　再次，對采用相反展向復合角氣膜冷卻的渦輪葉片冷卻特性進行分析，在發(fā)動機實際工況下考慮葉片氣膜孔局部平均氣膜冷卻效率時，對于相反展向復合角氣膜孔葉片（

6、OSA葉片），OSA葉片的氣膜冷卻效率大于相同展向復合角氣膜孔葉片（SSA葉片），并且OSA氣膜孔比SSA氣膜孔更適合大展向孔距的結構。當氣膜開孔靠近尾緣時，OSA葉片的能量損失系數(shù)略小于SSA葉片。相同吹風比下，當?shù)乩字Z數(shù)較高的位置局部平均氣膜冷卻效率也較高，對于本文研究的葉片模型在吸力面的激波反射點位置不適合開設氣膜孔，葉片通道喉部區(qū)域適合較低展向角度的氣膜孔。氣膜孔位置一定的情況下，吹風比增加，展向角度要減小氣膜冷卻效率才會出現(xiàn)較