Film Cooling Performance Investigation for Novel Trenches.pdf

1、日益提高的透平進(jìn)口溫度（TET）對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)葉片冷卻提出了更高的要求，本文旨在提出并研究一種新型的氣膜冷卻結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。在本論文中，采用ANSYS CFX12.1來(lái)預(yù)測(cè)帶新型冷卻溝槽的氣膜冷卻性能，并對(duì)于在平板和葉片上的三種新型氣膜孔的氣膜冷卻效率進(jìn)行了研究。
　　所提出的第一種新型冷卻溝槽是包含兩個(gè)溝槽的多溝槽冷卻結(jié)構(gòu)，一個(gè)寬溝槽疊加一個(gè)從寬溝槽伸出的窄溝槽。利用這種多溝槽結(jié)構(gòu)，冷卻空氣射流通過(guò)溝槽壁的兩次作用，增強(qiáng)了冷卻工

2、質(zhì)在溝槽內(nèi)和葉片表面的側(cè)向鋪展，降低了射流速度，使射流更好的覆蓋在被冷卻表面。本文探討了三種不同的湍流模型的預(yù)測(cè)精度，包括k-ε, k-ω和SST Gamma Theta模型等。本文研究的吹風(fēng)比在0.5-5范圍內(nèi)變化。此外還研究了節(jié)距-直徑比對(duì)多溝槽氣膜孔的影響。多溝槽冷卻效果和已有實(shí)驗(yàn)的窄溝槽及其他情況進(jìn)行了充分對(duì)比，結(jié)果表明，多溝槽結(jié)構(gòu)在吹風(fēng)比M=0.5和M=1的情況下，其空間平均絕熱冷卻效率比窄溝槽分別提高了80％和65%。多溝槽

3、冷卻結(jié)構(gòu)的另外一個(gè)好處是在提供同樣的冷卻效果的同時(shí)可以減少冷卻流量。對(duì)于多溝槽結(jié)構(gòu)的孔間距-直徑比的參數(shù)化研究表明，獲取孔徑-節(jié)距比P/D的最佳值，對(duì)于減少冷卻工質(zhì)流量、減少制造時(shí)間和成本，以及提高氣膜冷卻效率具有重要的作用。在本文研究條件下，相對(duì)節(jié)距等于2.775時(shí)，具有最好的冷卻效果。
　　研究的第二種新型冷卻結(jié)構(gòu)是分孔結(jié)構(gòu)。本文探索了二十六種不同的分孔結(jié)構(gòu)型式，并與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比。論文分別研究了溝槽深度和寬度的影響，以及

4、冷卻溝槽采用分孔結(jié)構(gòu)和下游曲邊后的冷卻效果。并在不同深度和寬度下，對(duì)于兩種不同組合溝槽的冷卻效果進(jìn)行了分析。
　　在上述冷卻結(jié)構(gòu)的研究中，吹風(fēng)比值分別為0.5,1和2，模擬給出了壓力系數(shù)等參數(shù)的分布情況。模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比顯示，在軸向分割孔的情況下，射流速度降低到僅有原值的一半，其結(jié)果是冷卻射流抬起高度的下降，這種下降有效降低了冷卻射流對(duì)于流動(dòng)主流的干擾，提高了流動(dòng)效率。當(dāng)吹風(fēng)比為M=0.5時(shí)，帶有分割孔結(jié)構(gòu)的射流平均速度為

5、6.8m/s,而非分割孔的射流平均速度為12.5 m/s。當(dāng)吹風(fēng)比為M=1時(shí)，相比于實(shí)驗(yàn)，橫向平均冷卻效率增加了69%，在溝槽中加入分割孔有效改善了冷卻工質(zhì)的橫向擴(kuò)展。研究結(jié)果還表明，溝槽的深度，寬度和形狀對(duì)于溝槽的冷卻效率具有重要的影響。計(jì)算結(jié)果顯示，冷卻氣流在溝槽內(nèi)的擴(kuò)張，以及射流與下游邊緣的接觸面積是控制冷卻強(qiáng)化的重要因素。同時(shí)，結(jié)果顯示，采用分割孔有助于降低湍流水平，從而降低葉片表面的傳熱。與實(shí)驗(yàn)相比，最大空間平均冷卻效率將提高

6、57.61%，而最差空間平均效率將降低-43.7%。同時(shí)結(jié)果也清楚表明，帶有分割孔冷卻結(jié)構(gòu)的峰值壓力要明顯低于不帶分割孔結(jié)構(gòu)的峰值壓力。
　　第三部分研究了將多溝槽冷卻孔結(jié)構(gòu)應(yīng)用到典型的帶有實(shí)驗(yàn)結(jié)果的冷卻渦輪葉片 C3X的吸力面上。本文研究的吹風(fēng)比范圍為0.5-3。模擬對(duì)比了C3X吸力面和平板的絕熱冷卻效率，結(jié)果表明，在小的吹風(fēng)比時(shí)，曲率使冷卻流體被阻塞在下游的角落，而平板流體沒(méi)有受到阻擋直接流出溝槽，因此，曲率將使得葉片表面的氣