高溫燃氣渦輪葉片的內部冷卻和脈動氣膜冷卻的數值研究.pdf

1、渦輪葉片作為燃氣渦輪航空發(fā)動機中非常重要的組成部分，需要在高溫高壓的惡劣環(huán)境下為發(fā)動機做功。為了防止渦輪葉片被高溫高壓燃氣燒蝕，在穩(wěn)定工作的前提下保證合理的使用壽命，渦輪葉片內部通常設計為彎曲的蛇形通道，將壓氣機中的高壓氣體引入到該蛇形通道中充當冷氣，通過冷氣在通道內的流動以強化對流換熱的形式帶走葉片的熱量，最后將冷氣從葉片表面的氣膜孔中排出，從而在葉片表面形成一層冷氣膜，阻隔高溫燃氣，進一步為渦輪葉片提供保護。研究和了解渦輪葉片內部通

2、道冷卻和氣膜冷卻中涉及的流動和傳熱特性，對于優(yōu)化渦輪葉片現有的冷卻結構、開發(fā)出更有效率的冷卻方案具有舉足輕重的地位。而隨著計算機軟硬件的不斷升級和湍流模型的持續(xù)改進，數值模擬已經成為越來越重要的研究手段。本文采用數值模擬方法，結合實驗數據，分兩部分創(chuàng)新性的研究了渦輪葉片的內部通道冷卻和氣膜冷卻，主要內容如下:
　　第一部分，真實渦輪葉片內部冷卻通道研究。
　　這部分通過實驗和數值模擬相結合的方法探討了一個包含三個流道的某真實

3、低壓渦輪葉片內部蛇形彎曲冷卻通道內的流動和傳熱特性。該彎曲通道由兩個進口流道、兩塊分割板、三個主體流道、兩個180度轉彎、25個尾緣矩形槽出口和兩個頂部出口組成。首先，在實驗研究中，以純凈水作為流動工質，利用粒子圖像測速技術(Particle Image Velocimetry, PIV)拍攝了該冷卻通道中5個不同截面上的二次流的速度向量分布，同時用玻璃轉子流量計測量了通道各個出口的質量流率。其次，利用商業(yè)軟件ANSYS CFX13.0

4、對該冷卻通道的流動做了數值模擬研究，比較了4種不同湍流模型預測蛇形通道復雜流場的能力。這4種湍流模型分別是:SSG RSM湍流模型、SST k-ω湍流模型、RNG k-ε湍流模型和標準k-ε湍流模型。通過將實驗測量速度場與計算結果的二次流流動特征、主流速度變化趨勢和出口質量流率等定性和定量的比較，最終發(fā)現SSG RSM湍流模型能更好的預測渦輪葉片真實內部蛇形彎曲冷卻通道內的流動特性，因此選擇該模型繼續(xù)進行余下的研究。最后，以理想氣體作為

5、冷卻工質，用數值模擬方法探討了進口雷諾數和葉片旋轉數對冷卻通道傳熱效果的影響。研究發(fā)現了3個有趣的現象:1)通道局部平均努塞爾數隨著進口雷諾數的增加而增加，然而增加幅度與適用于圓柱型直管的Dittus-Boelter公式（即:Nuo=0.023Re0.8Pr04）明顯不同。由于冷卻通道180度轉彎和蛇形彎曲幾何形狀的設計，進口雷諾數對努塞爾數的影響被急劇增強，該增加幅度可用兩個新的擬合系數表示。2）相比于靜止狀態(tài)，旋轉通道的平均努塞爾數

6、增加了，在第一和第三流道，壓力面上平均努塞爾數的增強幅度比吸力面上的高，而在第二流道，情況剛好相反。3）在第三流道中，越高的旋轉數使得通道壓力面和吸力面的平均努塞爾數分布越加均勻。
　　第二部分，渦輪葉片表面脈動氣膜冷卻數值研究。
　　脈動氣膜冷卻是一個相對新的、重要的研究課題。在現有的文獻中，研究脈動氣膜冷卻的原因有兩種不同的論述:1）在真實的燃氣葉片運行環(huán)境下，來自燃燒室的高溫氣體并非處于理想穩(wěn)定的狀態(tài)，來流的壓力脈動會

7、導致冷氣注射量的脈動。此外，靜葉與動葉之間的相對運動也會導致葉片表面壓力周期性變化，而冷氣注射壓力處于穩(wěn)定狀態(tài)，這就導致真實的氣膜冷卻處于周期性脈動狀態(tài)。2)作為一種潛在的新的冷卻手段，脈動的氣膜冷卻不僅可以減少冷氣的消耗，還能維持甚至提高渦輪葉片的冷卻效果。過去對脈動氣膜冷卻的研究基本局限在平板或者半圓柱形幾何上，沒有考慮真實葉片形狀（包含凸凹兩種曲面）的影響。為了彌補這一研究不足，本文基于整個渦輪葉片表面的脈動氣膜冷卻，用數值模擬方

8、法分析了真實渦輪葉片在絕熱和耦合傳熱兩種不同條件下脈動氣膜冷卻的表現。首先在一個修改的NASA C3X葉片上進行了絕熱脈動氣膜冷卻研究，該葉片有5排氣膜孔，其中3排在葉片前緣，另外兩排分別在葉片的壓力面和吸力面。研究中選用了方形波和正弦波兩種波形對冷氣注射實施脈動，探討了3種不同吹風比（blowing ratio，0.5、0.75和1.0）和4種不同斯特勞哈爾數（Strouhalnumber,0.0027、0.0054、0.0108和0

9、.0216）對絕熱壁面葉片氣膜冷卻效率的影響。通過該部分研究，我們發(fā)現了如下3個有趣的現象:1）在葉片的前緣和壓力面，當吹風比或者斯特勞哈爾數當中的任何一個增大時，絕熱氣膜冷卻效率減小了;可是在吸力面，情況正好相反。2）相比于方形波脈動，正弦波脈動能很好的抑制高溫主流入侵到氣膜孔中的現象，為葉片提供更好的保護。3）在葉片前緣，當吹風比為0.75和1.0時，正弦波脈動流取得了比穩(wěn)定流更高的絕熱氣膜冷卻效率，顯示了脈動氣膜冷卻的潛在優(yōu)勢。最

10、后在一個完整的NASA C3X葉片上進行了耦合傳熱條件下的脈動氣膜冷卻研究，該葉片有9排氣膜孔，其中2排孔在葉片吸力面、5排孔在葉片前緣，還有2排孔在葉片壓力面。耦合傳熱條件下考慮了固體葉片導熱的影響，同樣選用了方形波和正弦波兩種脈動波形，討論了3種不同吹風比（0.78、1.17和1.56）和4種不同斯特勞哈爾數(0.0029、0.0058、0.0116和0.0232)對葉片努塞爾數分布的影響，結果顯示:耦合傳熱條件下，1）在葉片的吸力

11、面，當冷氣吹風比增加時，穩(wěn)定流所展現的Row1孔下游的努塞爾數減小了，但脈動流在同一區(qū)域的努塞爾數卻變化不大，說明了在高吹風比條件下應用脈動氣膜冷卻并不合適。而在葉片的壓力面上，當穩(wěn)定流和脈動流的吹風比逐漸增加時，脈動流與穩(wěn)定流所展示的努塞爾數的差值逐漸減小，當達到最大吹風比時，脈動流得到了比穩(wěn)定流更小的努塞爾數值，說明在壓力面上，高吹風比條件更適合運用脈動氣膜冷卻。因此可見，壓力面和吸力面情況剛好相反。2）在葉片的吸力面和前緣區(qū)，當斯