渦輪葉片尾緣偏劈縫氣膜冷卻有效溫比與流動(dòng)阻力研究.pdf

1、由熱力循環(huán)可知，燃?xì)廨啓C(jī)的性能受渦輪進(jìn)口燃?xì)鉁囟鹊挠绊戄^大，提高渦輪進(jìn)口溫度是改善渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)性能的發(fā)展趨勢(shì)。因此，為保證燃?xì)廨啓C(jī)的使用壽命和安全性，渦輪葉片必須采取冷卻措施。本文根據(jù)渦輪葉片尾緣氣膜冷卻設(shè)計(jì)的要求，對(duì)葉片尾緣偏劈縫冷卻結(jié)構(gòu)的流動(dòng)與換熱特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。 實(shí)驗(yàn)在一個(gè)包括冷熱風(fēng)的雙系統(tǒng)風(fēng)洞的測(cè)試段完成，其中熱風(fēng)系統(tǒng)為一個(gè)半封閉式回風(fēng)加熱系統(tǒng)。建立了渦輪葉片尾緣偏劈縫冷卻結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停嚰歉鶕?jù)相似原理把實(shí)際葉片尾

2、緣的很小一部分20倍放大而成。該試件模型為一個(gè)楔角為10°的楔型通道。在試件內(nèi)部偏劈縫之前布置有三排擾流柱，擾流柱呈叉排布置，每個(gè)偏劈縫出口對(duì)應(yīng)一個(gè)擾流柱。偏劈縫后尾緣板是由聚乙烯玻璃纖維樹(shù)酯加工而成，該材料的導(dǎo)熱系數(shù)很小，尾緣板可視為絕熱板。 實(shí)驗(yàn)中在擾流柱前、擾流柱后及偏劈縫后三處選取了三個(gè)截面，測(cè)量了這三個(gè)截面的靜壓值，通過(guò)分析這三個(gè)截面的靜壓值來(lái)研究擾流柱及偏劈縫對(duì)通道流動(dòng)的影響，同時(shí)為了更好的比較，文中還采用了壓力系數(shù)

3、將靜壓差轉(zhuǎn)化為無(wú)量綱的壓力系數(shù)進(jìn)行分析。 實(shí)驗(yàn)中對(duì)尾緣偏劈縫后冷卻氣體的速度分布進(jìn)行了測(cè)量，測(cè)量分兩個(gè)方向進(jìn)行，一是沿平行于尾緣絕熱板的方向進(jìn)行，另一是沿垂直于尾緣絕熱板的方向進(jìn)行。文中分析了尾緣偏劈縫孔縫下游平行于絕熱板方向與垂直于絕熱板方向的速度分布特性與冷卻氣體Reynolds數(shù)的關(guān)系。 本文為了對(duì)尾緣偏劈縫結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，研究了可反映氣膜冷卻效果的尾緣偏劈縫后絕熱板的絕熱壁面有效溫比。實(shí)驗(yàn)中研究了六個(gè)參數(shù)變化對(duì)

4、絕熱壁面有效溫比的影響，它們分別是：尾緣偏劈縫后的絕熱板長(zhǎng)度（ 、5、6、7、8、9、10）、尾緣偏劈縫的長(zhǎng)度與間距比（ 、0.45、0.50、0.55、0.60、0.65、0.70）、長(zhǎng)寬比（ 、3.0、3.5、4.0、4.5、5.0、5.5）、出氣角（ °、2°、4°、6°、8°、10°）、吹風(fēng)比（ 、0.8、0.9、1.0、1.1、1.2、1.3）、冷卻氣體Reynolds數(shù)（ 、4.5×103、5.0×103、5.5×103、6

5、.0×103、6.5×103、7.0×103）。結(jié)果表明，尾緣板上絕熱壁面有效溫比最小的點(diǎn)并不在尾緣末端，而是在絕熱板熱氣側(cè)靠近末端的區(qū)域。隨著尾緣絕熱板長(zhǎng)度的增大，最小絕熱壁面有效溫比的值在不斷減?。晃簿壠p的長(zhǎng)度間距比越大，最小絕熱壁面有效溫比的值也越大；尾緣偏劈縫的長(zhǎng)寬比越大，最小絕熱壁面有效溫比的值反而越?。辉诔鰵饨?°時(shí)最小絕熱壁面有效溫比的值最大，隨著出氣角 的增大最小絕熱壁面有效溫比逐漸減??；當(dāng)吹風(fēng)比 時(shí)，最小絕熱壁面有

6、效溫比的值最大，對(duì)于一定的工況，存在有一個(gè)最佳的吹風(fēng)比；最小絕熱壁面有效溫比隨著冷卻氣體Reynolds數(shù)的增大而增大。文中還分別擬合得出了偏劈縫后尾緣絕熱板冷氣側(cè)孔縫與柵隔下游最小絕熱壁面有效溫比、冷氣側(cè)柵隔下游與孔縫下游平均絕熱壁面有效溫比以及絕熱板冷氣側(cè)與熱氣側(cè)的平均絕熱壁面有效溫比隨 ， ， ， ， 及 等參數(shù)變化的準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式。 本文應(yīng)用湍流模型對(duì)渦輪葉片尾緣針肋通道的換熱與流動(dòng)進(jìn)行了二維數(shù)值模擬研究。為了研究通道內(nèi)針肋

7、排列方式對(duì)換熱與流動(dòng)的影響，對(duì)三種不同的針肋排列方式的通道進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算。比較了順排和叉排的區(qū)別，并提出了一種沿流向叉排的針肋排列方式，且對(duì)各種排列的傳熱和阻力特性進(jìn)行了綜合分析和比較；為了研究通道內(nèi)沿流向叉排的排列方式下針肋直徑對(duì)通道換熱與流動(dòng)的影響，對(duì)不同針肋直徑的葉片尾緣通道進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算，并對(duì)通道傳熱和阻力特性進(jìn)行了綜合分析與比較。得出沿流向呈叉排方式布置針肋的通道換熱效果最佳，此種排列方式下針肋直徑越大，通道內(nèi)的換熱效