氣膜冷卻冷氣孔參數(shù)對渦輪性能的影響研究.pdf

1、燃?xì)廨啓C(jī)作為核心機(jī)的葉輪機(jī)械應(yīng)用廣泛于航空發(fā)動機(jī)、重型燃機(jī)、船用燃機(jī)等方面，對于國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和國家領(lǐng)土領(lǐng)空保護(hù)具有重要的意義。在現(xiàn)今渦輪的高推力和熱效率的共同需求下，根據(jù)燃機(jī)熱循環(huán)可知，渦輪前燃?xì)鉁囟刃枰蠓忍岣撸瑴u輪部件也因此面臨高溫高壓的問題。氣膜冷卻作為先進(jìn)冷卻技術(shù)的代表，在渦輪的設(shè)計(jì)中得到了廣泛的應(yīng)用，以保證渦輪的高溫部件的使用壽命和可靠性。當(dāng)今高性能渦輪發(fā)動機(jī)的進(jìn)口溫度已經(jīng)達(dá)到2200K以上，氣膜冷卻使用的冷氣量也達(dá)到了主流

2、的20％以上，對流道中三維流場的氣動和傳熱性能產(chǎn)生很大影響。本文的主要工作是對航空發(fā)動機(jī)的高壓渦輪的動靜葉氣膜冷卻孔參數(shù)進(jìn)行研究，分析不同的參數(shù)對渦輪氣動性能和傳熱特性的影響程度。
　　本文主要研究渦輪葉片的氣膜冷卻對氣動傳熱性能的影響，主要分為兩部分：渦輪葉片的靜葉氣膜冷卻數(shù)值研究和渦輪葉片的動葉氣膜冷卻數(shù)值研究。分別從冷氣孔空間位置、冷氣主流動量比、冷氣孔入射角度、冷氣孔徑向角度等幾個(gè)方面對主流的影響進(jìn)行研究，分析了渦量在流道

3、不同情況下的分布和演變，以及卵形渦與通道渦的相互作用，最后總結(jié)了各因素對渦輪的性能影響強(qiáng)弱。
　　文章的研究應(yīng)用參數(shù)化建模方式，一是減少了網(wǎng)格生成的工作量，二是保持了網(wǎng)格的疏密一致性。首先對數(shù)值模擬的湍流模型進(jìn)行了分析對比，采用轉(zhuǎn)捩的SST湍流模型數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)匹配較好，故后文采用該湍流模型進(jìn)行模擬。并對網(wǎng)格的無關(guān)性進(jìn)行了探討，以保證計(jì)算結(jié)果的精確性和可靠性。
　　通過對靜葉的數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果分析，表明冷卻孔的空間位置對葉片

4、表面的最高溫度有很大影響。當(dāng)駐點(diǎn)在壓力面時(shí)，冷氣孔布置在偏壓力側(cè)1.5D的位置，不但最高溫度降幅大，而且葉片整體冷卻效果同樣最高，然而導(dǎo)致的葉柵的氣動效率相比最低，表明前緣冷卻位置在增加冷卻效果的同時(shí)不可避免的降低氣動效率，即前緣位置冷卻效果和氣動性能不可兼得。冷氣主流動量比的改變使得葉片表面溫度場變化很大，前緣冷氣量增大，葉柵氣動效率降低，局部冷卻效果變差，但是總體冷卻效果提升。葉柵的流量的增量僅為冷氣增量的1/4，表明大冷氣量在吸力

5、面后部堆積，阻塞喉部面積，使流量減小。入射角度的減小，前緣局部區(qū)域溫度降低，在駐點(diǎn)偏壓力側(cè)1.5倍孔徑的位置入射角度為45°的冷卻效果最佳。在前緣局部區(qū)域，冷氣孔向上噴射的葉片表面平均溫度最低，冷氣在葉頂?shù)睦鋮s效果相比葉根更加明顯。
　　最后對動葉的數(shù)值模擬進(jìn)行對比分析，討論各影響因素對渦輪性能的影響。結(jié)果表明，動葉前緣冷氣孔對空間位置更加敏感，由于動葉的扭曲比較明顯，冷氣孔的空間位置變化使前緣局部溫度呈周期性的波動，因此上下冷氣

6、孔的空間位置應(yīng)分段分布，以保證冷氣孔達(dá)到良好的冷卻效率。隨著前緣冷氣主流動量比的增加，葉柵氣動效率隨之提高，出口流量的增加量大于冷氣的增加量，表明動量比對主流的影響很明顯。但是同樣，增大動量比對葉片表面最高溫度并沒有影響，前緣的局部溫度也隨著動量比的增加而增大，說明動量比過大冷氣無法有效的覆蓋在葉片的表面。在吸力面后部區(qū)域，冷氣孔徑向角度對氣動效率和冷卻效果影響很小，在葉頂部分的徑向角度越大，冷氣孔后的冷卻效果越差；在葉根部分的冷氣孔徑