高溫燃?xì)鉁u輪葉片的內(nèi)部冷卻和脈動(dòng)氣膜冷卻的數(shù)值研究.pdf

1、渦輪葉片作為燃?xì)鉁u輪航空發(fā)動(dòng)機(jī)中非常重要的組成部分，需要在高溫高壓的惡劣環(huán)境下為發(fā)動(dòng)機(jī)做功。為了防止渦輪葉片被高溫高壓燃?xì)鉄g，在穩(wěn)定工作的前提下保證合理的使用壽命，渦輪葉片內(nèi)部通常設(shè)計(jì)為彎曲的蛇形通道，將壓氣機(jī)中的高壓氣體引入到該蛇形通道中充當(dāng)冷氣，通過(guò)冷氣在通道內(nèi)的流動(dòng)以強(qiáng)化對(duì)流換熱的形式帶走葉片的熱量，最后將冷氣從葉片表面的氣膜孔中排出，從而在葉片表面形成一層冷氣膜，阻隔高溫燃?xì)?，進(jìn)一步為渦輪葉片提供保護(hù)。研究和了解渦輪葉片內(nèi)部通

2、道冷卻和氣膜冷卻中涉及的流動(dòng)和傳熱特性，對(duì)于優(yōu)化渦輪葉片現(xiàn)有的冷卻結(jié)構(gòu)、開(kāi)發(fā)出更有效率的冷卻方案具有舉足輕重的地位。而隨著計(jì)算機(jī)軟硬件的不斷升級(jí)和湍流模型的持續(xù)改進(jìn)，數(shù)值模擬已經(jīng)成為越來(lái)越重要的研究手段。本文采用數(shù)值模擬方法，結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，分兩部分創(chuàng)新性的研究了渦輪葉片的內(nèi)部通道冷卻和氣膜冷卻，主要內(nèi)容如下:
　　第一部分，真實(shí)渦輪葉片內(nèi)部冷卻通道研究。
　　這部分通過(guò)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法探討了一個(gè)包含三個(gè)流道的某真實(shí)

3、低壓渦輪葉片內(nèi)部蛇形彎曲冷卻通道內(nèi)的流動(dòng)和傳熱特性。該彎曲通道由兩個(gè)進(jìn)口流道、兩塊分割板、三個(gè)主體流道、兩個(gè)180度轉(zhuǎn)彎、25個(gè)尾緣矩形槽出口和兩個(gè)頂部出口組成。首先，在實(shí)驗(yàn)研究中，以純凈水作為流動(dòng)工質(zhì)，利用粒子圖像測(cè)速技術(shù)(Particle Image Velocimetry, PIV)拍攝了該冷卻通道中5個(gè)不同截面上的二次流的速度向量分布，同時(shí)用玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)測(cè)量了通道各個(gè)出口的質(zhì)量流率。其次，利用商業(yè)軟件ANSYS CFX13.0

4、對(duì)該冷卻通道的流動(dòng)做了數(shù)值模擬研究，比較了4種不同湍流模型預(yù)測(cè)蛇形通道復(fù)雜流場(chǎng)的能力。這4種湍流模型分別是:SSG RSM湍流模型、SST k-ω湍流模型、RNG k-ε湍流模型和標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型。通過(guò)將實(shí)驗(yàn)測(cè)量速度場(chǎng)與計(jì)算結(jié)果的二次流流動(dòng)特征、主流速度變化趨勢(shì)和出口質(zhì)量流率等定性和定量的比較，最終發(fā)現(xiàn)SSG RSM湍流模型能更好的預(yù)測(cè)渦輪葉片真實(shí)內(nèi)部蛇形彎曲冷卻通道內(nèi)的流動(dòng)特性，因此選擇該模型繼續(xù)進(jìn)行余下的研究。最后，以理想氣體作為

5、冷卻工質(zhì)，用數(shù)值模擬方法探討了進(jìn)口雷諾數(shù)和葉片旋轉(zhuǎn)數(shù)對(duì)冷卻通道傳熱效果的影響。研究發(fā)現(xiàn)了3個(gè)有趣的現(xiàn)象:1)通道局部平均努塞爾數(shù)隨著進(jìn)口雷諾數(shù)的增加而增加，然而增加幅度與適用于圓柱型直管的Dittus-Boelter公式（即:Nuo=0.023Re0.8Pr04）明顯不同。由于冷卻通道180度轉(zhuǎn)彎和蛇形彎曲幾何形狀的設(shè)計(jì)，進(jìn)口雷諾數(shù)對(duì)努塞爾數(shù)的影響被急劇增強(qiáng)，該增加幅度可用兩個(gè)新的擬合系數(shù)表示。2）相比于靜止?fàn)顟B(tài)，旋轉(zhuǎn)通道的平均努塞爾數(shù)

6、增加了，在第一和第三流道，壓力面上平均努塞爾數(shù)的增強(qiáng)幅度比吸力面上的高，而在第二流道，情況剛好相反。3）在第三流道中，越高的旋轉(zhuǎn)數(shù)使得通道壓力面和吸力面的平均努塞爾數(shù)分布越加均勻。
　　第二部分，渦輪葉片表面脈動(dòng)氣膜冷卻數(shù)值研究。
　　脈動(dòng)氣膜冷卻是一個(gè)相對(duì)新的、重要的研究課題。在現(xiàn)有的文獻(xiàn)中，研究脈動(dòng)氣膜冷卻的原因有兩種不同的論述:1）在真實(shí)的燃?xì)馊~片運(yùn)行環(huán)境下，來(lái)自燃燒室的高溫氣體并非處于理想穩(wěn)定的狀態(tài)，來(lái)流的壓力脈動(dòng)會(huì)

7、導(dǎo)致冷氣注射量的脈動(dòng)。此外，靜葉與動(dòng)葉之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)也會(huì)導(dǎo)致葉片表面壓力周期性變化，而冷氣注射壓力處于穩(wěn)定狀態(tài)，這就導(dǎo)致真實(shí)的氣膜冷卻處于周期性脈動(dòng)狀態(tài)。2)作為一種潛在的新的冷卻手段，脈動(dòng)的氣膜冷卻不僅可以減少冷氣的消耗，還能維持甚至提高渦輪葉片的冷卻效果。過(guò)去對(duì)脈動(dòng)氣膜冷卻的研究基本局限在平板或者半圓柱形幾何上，沒(méi)有考慮真實(shí)葉片形狀（包含凸凹兩種曲面）的影響。為了彌補(bǔ)這一研究不足，本文基于整個(gè)渦輪葉片表面的脈動(dòng)氣膜冷卻，用數(shù)值模擬方

8、法分析了真實(shí)渦輪葉片在絕熱和耦合傳熱兩種不同條件下脈動(dòng)氣膜冷卻的表現(xiàn)。首先在一個(gè)修改的NASA C3X葉片上進(jìn)行了絕熱脈動(dòng)氣膜冷卻研究，該葉片有5排氣膜孔，其中3排在葉片前緣，另外兩排分別在葉片的壓力面和吸力面。研究中選用了方形波和正弦波兩種波形對(duì)冷氣注射實(shí)施脈動(dòng)，探討了3種不同吹風(fēng)比（blowing ratio，0.5、0.75和1.0）和4種不同斯特勞哈爾數(shù)（Strouhalnumber,0.0027、0.0054、0.0108和0

9、.0216）對(duì)絕熱壁面葉片氣膜冷卻效率的影響。通過(guò)該部分研究，我們發(fā)現(xiàn)了如下3個(gè)有趣的現(xiàn)象:1）在葉片的前緣和壓力面，當(dāng)吹風(fēng)比或者斯特勞哈爾數(shù)當(dāng)中的任何一個(gè)增大時(shí)，絕熱氣膜冷卻效率減小了;可是在吸力面，情況正好相反。2）相比于方形波脈動(dòng)，正弦波脈動(dòng)能很好的抑制高溫主流入侵到氣膜孔中的現(xiàn)象，為葉片提供更好的保護(hù)。3）在葉片前緣，當(dāng)吹風(fēng)比為0.75和1.0時(shí)，正弦波脈動(dòng)流取得了比穩(wěn)定流更高的絕熱氣膜冷卻效率，顯示了脈動(dòng)氣膜冷卻的潛在優(yōu)勢(shì)。最

10、后在一個(gè)完整的NASA C3X葉片上進(jìn)行了耦合傳熱條件下的脈動(dòng)氣膜冷卻研究，該葉片有9排氣膜孔，其中2排孔在葉片吸力面、5排孔在葉片前緣，還有2排孔在葉片壓力面。耦合傳熱條件下考慮了固體葉片導(dǎo)熱的影響，同樣選用了方形波和正弦波兩種脈動(dòng)波形，討論了3種不同吹風(fēng)比（0.78、1.17和1.56）和4種不同斯特勞哈爾數(shù)(0.0029、0.0058、0.0116和0.0232)對(duì)葉片努塞爾數(shù)分布的影響，結(jié)果顯示:耦合傳熱條件下，1）在葉片的吸力

11、面，當(dāng)冷氣吹風(fēng)比增加時(shí)，穩(wěn)定流所展現(xiàn)的Row1孔下游的努塞爾數(shù)減小了，但脈動(dòng)流在同一區(qū)域的努塞爾數(shù)卻變化不大，說(shuō)明了在高吹風(fēng)比條件下應(yīng)用脈動(dòng)氣膜冷卻并不合適。而在葉片的壓力面上，當(dāng)穩(wěn)定流和脈動(dòng)流的吹風(fēng)比逐漸增加時(shí)，脈動(dòng)流與穩(wěn)定流所展示的努塞爾數(shù)的差值逐漸減小，當(dāng)達(dá)到最大吹風(fēng)比時(shí)，脈動(dòng)流得到了比穩(wěn)定流更小的努塞爾數(shù)值，說(shuō)明在壓力面上，高吹風(fēng)比條件更適合運(yùn)用脈動(dòng)氣膜冷卻。因此可見(jiàn)，壓力面和吸力面情況剛好相反。2）在葉片的吸力面和前緣區(qū)，當(dāng)斯