相反展向復(fù)合角氣膜冷卻特性及應(yīng)用研究.pdf

1、相反展向復(fù)合角氣膜冷卻是新發(fā)展的眾多氣膜冷卻結(jié)構(gòu)的一種，其實(shí)現(xiàn)方法簡(jiǎn)單，通過(guò)將上游和下游氣膜孔相反的展向角布置使氣膜射流形成反腎形渦對(duì)從而得到很高的冷卻效率，適合全氣膜渦輪葉片結(jié)構(gòu)，本文以此為研究背景，對(duì)相反展向復(fù)合角氣膜冷卻的流動(dòng)和換熱特性開(kāi)展了數(shù)值和實(shí)驗(yàn)研究。研究?jī)?nèi)容主要包含三個(gè)方面：1、針對(duì)相反展向復(fù)合角冷卻結(jié)構(gòu)，分析和探討流動(dòng)傳熱特性，揭示其強(qiáng)化冷卻效率的物理機(jī)制，系統(tǒng)研究氣膜孔、主流通道的結(jié)構(gòu)、流動(dòng)參數(shù)對(duì)于冷卻特性的影響規(guī)律。

2、2、對(duì)影響陣列相反展向復(fù)合角氣膜冷卻效率的相關(guān)因素進(jìn)行敏感性分析。研究陣列相反展向復(fù)合角氣膜冷卻結(jié)構(gòu)、流動(dòng)參數(shù)對(duì)氣膜冷卻特性的影響。3、采用簡(jiǎn)化的相反展向復(fù)合角氣膜冷卻渦輪葉片，在發(fā)動(dòng)機(jī)真實(shí)工況下，研究流動(dòng)參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)葉片的冷卻特性以及氣動(dòng)特性的影響，并提出了能兼顧葉片冷卻特性與氣動(dòng)特性的相反展向復(fù)合角氣膜冷卻孔布置方法。
　　首先對(duì)單排相反展向復(fù)合角氣膜孔冷卻的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)與冷卻特性進(jìn)行分析，可知反腎形渦對(duì)的形成原因是：前孔漩渦

3、受后孔射流影響形成新的誘導(dǎo)漩渦，誘導(dǎo)渦取代原來(lái)的前孔漩渦與后孔漩渦一起組成反腎形渦對(duì)，將冷氣推向氣膜孔中心線(xiàn)的兩側(cè)。結(jié)構(gòu)參數(shù)與流動(dòng)參數(shù)改變，均可以改變后孔射流對(duì)前孔產(chǎn)生的漩渦的影響程度，進(jìn)而改變反腎形渦對(duì)漩渦中心距離與渦心周?chē)黧w的旋轉(zhuǎn)速度。反腎形渦對(duì)漩渦中心距離增加，渦心周?chē)黧w的旋轉(zhuǎn)速度增加有利于增強(qiáng)冷氣側(cè)向覆蓋，提高冷卻效率，但是在下游主流被卷吸的程度會(huì)加劇，降低冷卻效果。進(jìn)一步的研究表明，吹風(fēng)比增加、展向角度增加、流向角度減小、

4、主流雷諾數(shù)增加、溫比增加、逆壓力梯度與凹面均可以增加反腎形渦對(duì)漩渦中心距離或提高渦心周?chē)黧w的旋轉(zhuǎn)速度。激波的影響相對(duì)特殊，激波反射點(diǎn)在前孔與后孔之間冷卻效率下降較大。
　　其次對(duì)陣列相反展向復(fù)合角氣膜冷卻特性進(jìn)行分析，陣列相反展向復(fù)合角氣膜冷卻依靠持續(xù)的冷氣注入來(lái)維持反腎形渦對(duì)，可以得到很高的冷卻效率。通過(guò)正交試驗(yàn)得出在試驗(yàn)參數(shù)范圍內(nèi)，對(duì)平均冷卻效率影響程度由高到低依次為：開(kāi)孔率，吹風(fēng)比，長(zhǎng)寬比，展向角；對(duì)平均換熱系數(shù)影響程度由

5、高到低的因素依次為：吹風(fēng)比，開(kāi)孔率，展向角，長(zhǎng)寬比。在模擬發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際工況下，30°相反展向復(fù)合角氣膜冷卻效率最高。在低雷諾數(shù)與高溫比的實(shí)驗(yàn)工況下，45°相反展向復(fù)合角氣膜冷卻效率最高，并且相同角度下，相反展向復(fù)合角氣膜冷卻效率均高于相同展向復(fù)合角。展向角度改變對(duì)流量系數(shù)影響很小。
　　再次，對(duì)采用相反展向復(fù)合角氣膜冷卻的渦輪葉片冷卻特性進(jìn)行分析，在發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際工況下考慮葉片氣膜孔局部平均氣膜冷卻效率時(shí)，對(duì)于相反展向復(fù)合角氣膜孔葉片（

6、OSA葉片），OSA葉片的氣膜冷卻效率大于相同展向復(fù)合角氣膜孔葉片（SSA葉片），并且OSA氣膜孔比SSA氣膜孔更適合大展向孔距的結(jié)構(gòu)。當(dāng)氣膜開(kāi)孔靠近尾緣時(shí)，OSA葉片的能量損失系數(shù)略小于SSA葉片。相同吹風(fēng)比下，當(dāng)?shù)乩字Z數(shù)較高的位置局部平均氣膜冷卻效率也較高，對(duì)于本文研究的葉片模型在吸力面的激波反射點(diǎn)位置不適合開(kāi)設(shè)氣膜孔，葉片通道喉部區(qū)域適合較低展向角度的氣膜孔。氣膜孔位置一定的情況下，吹風(fēng)比增加，展向角度要減小氣膜冷卻效率才會(huì)出現(xiàn)較