氣冷渦輪葉柵實(shí)驗(yàn)及數(shù)值模擬研究.pdf

1、在提高壓氣機(jī)壓比的同時(shí)，提升渦輪前溫度是改善航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)性能（推重比、耗油率）的有效措施。隨著渦輪前溫度的不斷提高，必須采用氣膜冷卻等手段來(lái)保證其安全工作，而氣膜冷卻所帶來(lái)的冷氣摻混將直接影響渦輪葉柵流場(chǎng)結(jié)構(gòu)和氣動(dòng)性能。針對(duì)目前國(guó)內(nèi)對(duì)考慮冷氣噴射作用下，葉柵內(nèi)部流場(chǎng)結(jié)構(gòu)和氣動(dòng)損失研究尚不夠深入、氣冷渦輪設(shè)計(jì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)缺乏的現(xiàn)狀，本文采用渦輪平面葉柵實(shí)驗(yàn)和計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）數(shù)值模擬方法，細(xì)致地研究了冷氣噴射對(duì)葉柵流場(chǎng)特征和氣動(dòng)性

2、能的影響。 在平面葉柵裝置中，采用低堵塞的五孔壓力探針和附面層探針，分別對(duì)前緣、吸力面、壓力面氣膜孔以及尾緣劈縫的冷氣噴射狀態(tài)下，葉柵內(nèi)部流場(chǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)的測(cè)量。研究了冷氣噴射位置、角度和流量對(duì)葉柵流場(chǎng)和氣動(dòng)性能的影響；細(xì)致分析了葉柵尾跡、渦輪葉片表面附面層內(nèi)的速度分布；探究了能量損失系數(shù)、總壓損失系數(shù)隨冷氣噴射位置和流量等參數(shù)的變化規(guī)律。 研究結(jié)果表明：冷氣在主流方向的分速度量改變了附面層流動(dòng)速度剖面的形狀；當(dāng)冷

3、氣量較大時(shí)，壓力面和吸力面上的小角度（小于30o）冷氣噴射可以降低葉柵流動(dòng)損失；冷氣噴射角度大于60o后，不同冷氣量下，壓力面和吸力面的冷氣噴射均增加了葉柵流動(dòng)損失；前緣氣膜孔的冷氣噴射總是增大了葉柵流動(dòng)損失；而葉柵流動(dòng)損失隨尾緣冷氣噴射的變化并非單調(diào)，呈現(xiàn)出復(fù)雜的規(guī)律。 同時(shí)利用CFD技術(shù)，數(shù)值模擬了考慮氣膜孔冷氣噴射情況下的葉柵三維流場(chǎng)，分析了葉柵通道內(nèi)部的細(xì)節(jié)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)。計(jì)算中采用SST（Shear-Stress-Tran

4、sport）湍流模型，將葉片氣膜孔出口做為冷氣噴射邊界，給定冷氣的流量、總溫和氣流噴射角，冷氣的總壓和靜壓則是通過(guò)與主流場(chǎng)的耦合迭代計(jì)算。研究中發(fā)現(xiàn)由于冷氣噴射中垂直于主流速度分量的存在，在主流流場(chǎng)中產(chǎn)生一對(duì)馬蹄渦結(jié)構(gòu)。將一部分主流氣流卷入到附面層之中，改變了附面層流動(dòng)結(jié)構(gòu)。在計(jì)算和實(shí)驗(yàn)結(jié)果比對(duì)的基礎(chǔ)上，本文對(duì)某高負(fù)荷高壓渦輪導(dǎo)向器扇形葉柵進(jìn)行了真實(shí)工作狀態(tài)下，葉柵內(nèi)部流動(dòng)和損失的數(shù)值計(jì)算，進(jìn)一步分析了冷氣噴射位置、角度和流量對(duì)扇形葉柵