某型涡轮导向叶片换热与气动特性研究

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作为航空发动机核心部件,涡轮性能对发动机的整机做功能力影响较大。目前涡轮前温度已远超材料的耐温极限,必须采用更高效的冷却技术才能提高涡轮叶片的工作性能,涡轮叶片冷却主要分为内部扰流冷却和外部气膜冷却,但冷却气膜的存在会对叶片外表面换热及叶栅气动性能产生较大的影响。本文以某型涡轮导向叶片为研究对象,采用实验与数值计算相结合的方法研究了流动参数对该叶片不同叶高叶型外表面的气膜冷却效果、对流换热系数、静压分布以及栅后气动损失参数的影响,同时针对具有内部导热的真实涡轮导叶模型进行了综合冷却效果影响研究。研究结论如下:(1)随着栅前雷诺数的增加,不同叶高叶型表面绝热壁温缓慢上升,气膜有效性下降,叶片表面对流换热系数逐渐增大,不同叶型气膜有效性及表面换热系数分布基本一致;(2)吹风比的增加使得气膜抵抗主流侵蚀能力逐渐增强,在吸力面不同叶高叶型的气膜有效性变化规律有所差别,15%叶高吹风比B=2.5冷却效果最佳,50%、85%叶高吹风比B=3.0冷却效果最佳,吹风比的增大均能够使叶片外表面换热系数增大;(3)涡轮导叶高温区域主要集中在前缘及尾缘处,在流量比为0.04时前缘(尤其是靠近上端壁处)承受了较大的热应力,这一现象在流量比大于0.06后得到缓解;(4)在实验的研究参数范围之下,落压比由1.2增加到1.4,平均综合冷却效果由0.68增加到0.72;温比由2.4增加到2.75,平均综合冷却效果基本在0.71左右;流量比由0.04增加到0.10,平均综合冷却效果提高了32.4%,同时流量比的增加会使得栅后总压恢复系数降低;(5)叶片表面静压系数分布与栅前雷诺数的关系不大,吹风比的提高仅对气膜孔下游附近静压分布有一定影响,对叶片表面静压分布影响较小,不同叶型静压系数均在X/L=0.3附近达到最小值,叶背曲率不同导致静压分布产生了一定差异;(6)随雷诺数的增加,栅后总压恢复系数逐渐降低,能量损失系数逐渐升高,叶栅内马赫数分布基本不变;随吹风比的增加,栅后总压恢复系数逐渐增大,能量损失系数逐渐减小,栅后出气角向叶盆侧偏移。
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