双排离散孔气膜冷却效率叠加预测方法研究

发布时间：2020-09-24 13:16

　　 气膜冷却是先进燃气轮机涡轮叶片中经常应用的外部冷却方法,冷却结构设计中通常在叶片前缘、吸力面及压力面等位置布置多排气膜孔。为了衡量多排气膜的冷却效果,工程应用中可以利用已知的单排气膜冷却效率数据并采用叠加预测方法来进行估算。但受到实际工况的限制,叠加预测结果精确度不高、偏差较大。因此,了解气膜间的相互作用机理,得到多排气膜冷却效率叠加预测准确性规律,有利于提供准确的涡轮叶片热边界条件,对涡轮叶片的热分析及冷却结构设计有着重要的意义。本文重点研究了双排离散气膜孔后射流间的相互作用规律,针对影响冷却效率叠加计算准确性的典型气动及几何影响因素进行了实验及数值模拟研究。平板模型流动状态简单,能够对流动及换热过程进行精确的分析,本文首先对平板双排圆柱型孔及异型孔的气膜冷却效率叠加预测规律进行了研究;叶片模型研究更贴近实际问题,在平板模型的基础上,本文分析了叶栅通道内双排圆柱孔以及异型孔气膜冷却效率叠加预测的准确性。文中通过实验测量得到了精确的冷却效率叠加预测准确性规律;同时采用数值模拟方法对流场及温度场进行了分析,揭示了气膜孔后射流间的相互作用规律,发现了影响多排冷却效率叠加预测准确性的根本原因;最后在传统的气膜冷却效率叠加计算公式的基础上进行了修正,总结了更准确的冷却效率叠加预测方法。平板气膜冷却效率叠加预测准确性研究部分,文中首先以二维缝孔为基准分析了Sellers叠加预测方法的适用性。对于三维离散圆柱孔,主要对比分析了吹风比、气膜孔排列方式、气膜孔排间距以及孔偏角对于双排气膜冷却效率叠加预测准确性的影响。同时与圆柱孔相对应,研究了异型孔(收缩扩张型孔)的叠加预测准确性。对于二维缝型气膜孔结构,射流在主流作用下容易贴附壁面,气膜在展向覆盖均匀,前后排气膜间相互作用较弱,此时冷却效率叠加预测方法的准确性较高。对于圆柱型气膜孔结构,小吹风比时前后排射流间的相互作用弱、叠加计算准确性较高;随着吹风比增大,孔后对涡范围扩大,前后排气膜间作用增强,叠加计算准确性下降。气膜孔排列方式会影响叠加计算的准确性:顺排结构前后排射流在气膜孔展向相互重叠,射流间为“层状”叠加,且前后排外卷对涡转向相同,前排涡结构对后排气膜起到“抽吸”作用,气膜覆盖性变差,此时冷却效率叠加预测结果偏高;叉排结构前后排射流在气膜孔展向交错排列,射流间为“块状”叠加,前后两排射流间的相互作用较弱,前后排的外卷对涡在交汇位置处转向相反,两排气膜间有相互挤压作用,气膜覆盖性较好,叉排结构叠加预测结果偏低。孔排距离影响冷却效率叠加计算准确性,小孔排间距条件下两排气膜孔间作用强烈,叠加预测准确性较差;大孔排间距下,前排射流对后排射流影响减弱,冷却效率叠加计算准确性较好。当气膜孔存在偏角时,孔后外卷肾型对涡退化成单支涡,两排射流间的作用减弱,冷却效率叠加预测准确性好。收缩扩张型气膜孔后流场为一内卷对涡结构,射流法向速度分量小展向速度分量大,气膜展向覆盖较好,射流呈现出一定的“二维性”。前后排气膜间的相互作用与二维缝型孔相类似,冷却效率叠加计算准确性较好。整体上看,气膜冷却效率叠加预测准确性主要取决于前后气膜间的相互作用,且与吹风比及孔下游距离相关,因此针对Sellers叠加计算公式的叠加项引入了上述两个参数进行了修正,得到了更准确的冷却效率叠加预测方法。叶片圆柱孔气膜冷却效率叠加预测准确性研究部分,除了吹风比、排列方式等影响因素外,本文研究了叶片型面变化对气膜冷却效率叠加计算准确性的影响。叶片型面变化对气膜冷却叠加特性的影响主要体现在两个方面:叶片表面曲率及叶栅通道内主流压力梯度的影响。涡轮叶片吸力面为凸面,吸力面腮区上游曲率较大下游曲率较小;腮区前主流为顺压力梯度流动,腮区后主流逆压力梯度流动。受到通道内顺压力梯度的作用,吸力面气膜孔后射流更易贴近壁面。此外受到型面曲率作用,吸力面孔后射流湍流度较低射流稳定性高、气膜贴附性强。对于本文研究的吸力面圆柱型气膜孔结构,小吹风比下吸力面气膜孔后气膜贴附性强,前后射流间相互作用弱,冷却效率叠加预测准确性较好;随着吹风比增大叠加计算准确性略有降低。吸力面叉排圆柱型气膜冷却结构的叠加计算准确性更高。涡轮叶片压力面的型面影响与吸力面相反,气膜孔后射流稳定性较差,气膜容易脱离壁面,前后排气膜间相互作用较强,冷却效率叠加预测的准确性相比于吸力面较差。叶片异型孔气膜冷却效率叠加预测准确性研究部分,文中研究了簸箕型气膜孔及收缩扩张型气膜孔两种结构在叶栅通道内的冷却效率叠加预测准确性。由于簸箕型气膜孔出口扩张作用,射流法向动量降低展向动量增大,气膜不易脱离壁面且在展向覆盖较宽,孔后流向覆盖距离较短。吸力面簸箕型孔的前后排射流间相互作用弱,冷却效率叠加计算准确性较好。压力面上簸箕型气膜孔后反转对涡结构范围扩大,前后两排气膜间的作用强,气膜冷却效率叠加预测结果偏高。收缩扩张型气膜孔后为内卷对涡,气膜在展向分布均匀,法向贴壁性好,特别是在叶片吸力面气膜间作用弱,冷却效率叠加计算准确性较好;压力面孔后内卷涡稳定性变差,气膜厚度增加,前后气膜间相互作用更强,但是由于前后排气膜间类似于“层状”叠加,收缩扩张型气膜孔在压力面的冷却效率叠加预测仍较准确。
【学位单位】：西北工业大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：V232.4
【部分图文】：

航空发动机涡轮进口温度和高温合金材料耐温极限发展趋势

图 1-2 涡轮叶片冷却技术的发展历程19501960 1970 1980 1990 2010100012001400冷却简单冷却对流换热金属材料许可使用温度无冷却的燃气涡轮年份

图 1-2 涡轮叶片冷却技术的发展历程19501960 1970 1980 1990 2010100012001400冷却简单冷却对流换热金属材料许可使用温度无冷却的燃气涡轮年份

【相似文献】

相关期刊论文 前10条

1 常艳;杨卫华;张靖周;;突片形状对气膜冷却效率的影响[J];南京航空航天大学学报;2016年03期

2 范宜龙;朱惠人;李永红;李广超;樊慧明;;逆压力梯度下几何参数对气膜冷却效率的影响[J];航空动力学报;2010年08期

3 廖乃冰;朱惠人;李广超;许都纯;;双扇形孔气膜冷却效率的研究[J];航空动力学报;2008年11期

4 秦晏e

本文编号：2825771