對(duì)帶氣膜孔的肋化冷卻通道耦合換熱特性的實(shí)驗(yàn)與數(shù)值研究.pdf

1、提高渦輪前燃?xì)馔钙竭M(jìn)口溫度已經(jīng)成為現(xiàn)代航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)獲得更高推重比和熱效率的重要途徑，當(dāng)前這一進(jìn)口溫度已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(hù)，免受高溫氣體侵蝕。準(zhǔn)確預(yù)測(cè)渦輪葉片表面溫度場(chǎng)分布并提高冷卻效率如今成為延長(zhǎng)渦輪葉片工作壽命的關(guān)鍵問題，無(wú)數(shù)科研工作者對(duì)此做了大量研究，發(fā)展出多種多樣的冷卻方法，從早期簡(jiǎn)單的光滑內(nèi)部壁面直接對(duì)流技術(shù)，經(jīng)過內(nèi)置肋片強(qiáng)化對(duì)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(jìn)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(duì)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(dú)探討內(nèi)部冷卻與外部冷卻特性的階段;現(xiàn)如今真實(shí)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(shí)際渦輪葉片由金屬合金制成，整個(gè)葉片外部處于高溫燃?xì)庵校?/p>

3、時(shí)冷卻工質(zhì)在內(nèi)部通道中流動(dòng)，這是一個(gè)高度耦合的過程。采用絕熱壁面條件對(duì)內(nèi)部與外部冷卻特性單獨(dú)研究的方法已不能直觀地反映如今渦輪葉片冷卻的真實(shí)狀況。因此為了盡可能尊重真實(shí)情況，本文在采用實(shí)驗(yàn)和數(shù)值方法研究真實(shí)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(dòng)和換熱特性時(shí)，實(shí)驗(yàn)工作采取非絕熱壁面條件，在高溫燃?xì)庵袑?duì)復(fù)合結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究;數(shù)值模擬工作采用流-固-熱耦合計(jì)算方法實(shí)現(xiàn)。
　　 本文通過實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬

4、相結(jié)合的方法，對(duì)四種肋片與氣膜孔組合冷卻通道的換熱特性進(jìn)行了研究。本文將真實(shí)渦輪葉片的蛇形通道簡(jiǎn)化為矩形直通道，在冷卻通道內(nèi)部安置有斜肋排加強(qiáng)對(duì)流換熱;同時(shí)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?xì)獾娜肭?。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(shí)，大多數(shù)以絕熱壁面假設(shè)為前提，選用有機(jī)玻璃等低導(dǎo)熱材料，在低溫甚至常溫主流環(huán)境下實(shí)驗(yàn)研究

5、換熱特性，整個(gè)試驗(yàn)件的溫差變化范圍很小;而本文的實(shí)驗(yàn)工作在高溫?zé)犸L(fēng)洞中進(jìn)行，試驗(yàn)件由高溫合金材料制造，整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)模擬渦輪葉片實(shí)際工作環(huán)境，即:試驗(yàn)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(shí)驗(yàn)在大溫差條件下完成，以保證實(shí)現(xiàn)通道內(nèi)部的冷卻氣體通過與肋化面的對(duì)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(duì)高溫環(huán)境下的組合結(jié)構(gòu)進(jìn)行冷卻。
　　 本文實(shí)驗(yàn)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(gè)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(shí)驗(yàn)工作中，通過分析紅外有效拍攝區(qū)域內(nèi)試驗(yàn)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(xì)的內(nèi)部對(duì)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(duì)平均綜合冷卻效率的影響，并對(duì)四種復(fù)合結(jié)構(gòu)的冷卻能力作出合理評(píng)估;本文對(duì)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(duì)結(jié)構(gòu)a進(jìn)行了研究。采用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)湍流模型和數(shù)值方法進(jìn)行了驗(yàn)證，在此基礎(chǔ)上數(shù)值模擬了結(jié)構(gòu)a的流場(chǎng)和溫度場(chǎng)，計(jì)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，