對帶氣膜孔的肋化冷卻通道耦合換熱特性的實驗與數(shù)值研究.pdf

1、提高渦輪前燃氣透平進口溫度已經(jīng)成為現(xiàn)代航空渦輪發(fā)動機獲得更高推重比和熱效率的重要途徑，當(dāng)前這一進口溫度已經(jīng)遠遠超出渦輪葉片材料耐高溫性能的極限。為了保證渦輪葉片的正常使用壽命，必須采用更加有效的冷卻技術(shù)加以保護，免受高溫氣體侵蝕。準(zhǔn)確預(yù)測渦輪葉片表面溫度場分布并提高冷卻效率如今成為延長渦輪葉片工作壽命的關(guān)鍵問題，無數(shù)科研工作者對此做了大量研究，發(fā)展出多種多樣的冷卻方法，從早期簡單的光滑內(nèi)部壁面直接對流技術(shù)，經(jīng)過內(nèi)置肋片強化對流、沖擊冷卻

2、、外部氣膜冷卻，到層板冷卻甚至發(fā)散冷卻技術(shù)等。隨著透平性能的改善，單一冷卻方式已經(jīng)不能滿足日益提高的透平進口溫度，因此多種冷卻技術(shù)相互組合的方式已成為當(dāng)前渦輪葉片冷卻領(lǐng)域的熱門課題。
　　 在前人研究中，對渦輪葉片冷卻技術(shù)的研究工作大多數(shù)仍停留在分別單獨探討內(nèi)部冷卻與外部冷卻特性的階段;現(xiàn)如今真實渦輪葉片中段內(nèi)部冷卻通道中已經(jīng)廣泛采用內(nèi)部冷卻與外部冷卻相組合的方式。此外，實際渦輪葉片由金屬合金制成，整個葉片外部處于高溫燃氣中，同

3、時冷卻工質(zhì)在內(nèi)部通道中流動，這是一個高度耦合的過程。采用絕熱壁面條件對內(nèi)部與外部冷卻特性單獨研究的方法已不能直觀地反映如今渦輪葉片冷卻的真實狀況。因此為了盡可能尊重真實情況，本文在采用實驗和數(shù)值方法研究真實葉片渦輪片內(nèi)部中段某冷卻通道中帶傾斜肋片與具有復(fù)合角度傾斜氣膜孔組合結(jié)構(gòu)的流動和換熱特性時，實驗工作采取非絕熱壁面條件，在高溫燃氣中對復(fù)合結(jié)構(gòu)進行研究;數(shù)值模擬工作采用流-固-熱耦合計算方法實現(xiàn)。
　　 本文通過實驗與數(shù)值模擬

4、相結(jié)合的方法，對四種肋片與氣膜孔組合冷卻通道的換熱特性進行了研究。本文將真實渦輪葉片的蛇形通道簡化為矩形直通道，在冷卻通道內(nèi)部安置有斜肋排加強對流換熱;同時在低換熱區(qū)安置有帶復(fù)合角的氣膜孔，冷卻氣體從氣膜孔排出在外壁面局部區(qū)域形成氣膜覆蓋以阻擋高溫燃氣的入侵。與以往研究工作的不同之處在于:前人在研究渦輪葉片冷卻通道內(nèi)部肋片換熱效果或外部氣膜冷卻特性時，大多數(shù)以絕熱壁面假設(shè)為前提，選用有機玻璃等低導(dǎo)熱材料，在低溫甚至常溫主流環(huán)境下實驗研究

5、換熱特性，整個試驗件的溫差變化范圍很小;而本文的實驗工作在高溫?zé)犸L(fēng)洞中進行，試驗件由高溫合金材料制造，整個實驗系統(tǒng)模擬渦輪葉片實際工作環(huán)境，即:試驗件外部處于主流熱流高溫環(huán)境(400℃～730℃)，組合冷卻結(jié)構(gòu)的內(nèi)部通入冷卻氣體（常溫氣體），實驗在大溫差條件下完成，以保證實現(xiàn)通道內(nèi)部的冷卻氣體通過與肋化面的對流換熱、金屬壁面的熱傳導(dǎo)以及外部局部冷氣膜的覆蓋等作用，對高溫環(huán)境下的組合結(jié)構(gòu)進行冷卻。
　　 本文實驗研究的四種組合冷卻

6、結(jié)構(gòu)中，肋片角度為60°，氣膜孔具有兩個方向均為20°的復(fù)合角，并且氣膜孔的入口位于冷卻通道中軸面上。四種結(jié)構(gòu)的區(qū)別在于:a）氣膜孔位于肋片后方;b）氣膜孔位于兩肋片正中間;c）氣膜孔位于肋片前方;d）氣膜孔分別位于肋片前方與后方的雙氣膜孔結(jié)構(gòu)。
　　 實驗工作中，通過分析紅外有效拍攝區(qū)域內(nèi)試驗件表面溫度分布圖像，可以觀察到金屬壁面中的熱傳導(dǎo)作用;分析矩形通道表面溫度分布及溫差分布圖像，可以獲取詳細的內(nèi)部對流換熱和外部氣膜冷卻特

7、征;此外本文定性和定量分析了主流流量、主流溫度以及冷卻流量等對平均綜合冷卻效率的影響，并對四種復(fù)合結(jié)構(gòu)的冷卻能力作出合理評估;本文對高低溫適用性也作出了合理分析。
　　 數(shù)值模擬工作中，本文使用Ansys CFX軟件內(nèi)置的SSTκ-ω湍流模型對結(jié)構(gòu)a進行了研究。采用實驗數(shù)據(jù)對湍流模型和數(shù)值方法進行了驗證，在此基礎(chǔ)上數(shù)值模擬了結(jié)構(gòu)a的流場和溫度場，計算出努塞爾數(shù)分布和平均綜合冷卻效率;為了突顯帶氣膜孔肋化冷卻通道組合結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性，