涡轮叶片内冷通道沙灰沉积对冷却性能影响研究

来源 :沈阳航空航天大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:jovin_chow
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为了深入了解涡轮叶片内冷通道沙灰颗粒迁移沉积特性以及沙灰沉积后对叶片冷却性能的影响,根据涡轮导向叶片真实尺寸建立内冷通道几何模型,使用航空发动机实际运行温度和马赫数开展研究。采用欧拉-拉格朗日法,将沙灰颗粒看作离散相,在流体计算稳定后投入颗粒进行追踪,获得颗粒在涡轮叶片内冷通道的迁移轨迹。基于El-Batsh沉积模型编制用户自定义程序,将其加载到计算流体动力学软件中,用以预测颗粒抵达壁面后的碰撞、粘附和沉积行为,获得沙灰颗粒的沉积位置和沉积量。采用动网格技术更新沙灰沉积后的表面形貌,开展沉积形貌变化-流场变化-颗粒迁移沉积变化耦合研究。综合考虑沙灰沉积形貌对传热过程的影响,进一步获得沙灰沉积过程叶片综合冷却效果衰减规律。研究结果表明,沉积率随颗粒直径非单调变化,直径范围0.7μm~0.8μm和1.4μm~2.4μm颗粒沉积率最高,且集中于冲击孔正对的靶面区域。碰撞率几乎不随速度而改变,粘附率和沉积率随速度增大而增大。内冷通道中靶面沉积占比最大,且沉积占比随速度增大而增大。沙灰颗粒主要沉积在冲击区域和气膜孔之间的靶面区域,随着速度增大,冲击区域沉积量减小,气膜孔之间靶面区域沉积量增大,整体沉积范围扩大。从上游第一个冲击孔对应的冲击区域开始,沉积峰值逐渐从冲击孔中心下游向上游移动,到第五个冲击孔对应的冲击区域,沉积峰值移动到冲击孔中心的上游。沉积早期形成的“山峰”在后续沉积过程中增速放缓,而“山峰”之间的“山谷”沉积量增大。沉积前冲击区域换热系数呈规律的圆环形分布,沙灰颗粒沉积形成的几何形貌使冲击区域换热系数分布变得杂乱。换热系数受到沉积高度的正向影响,沉积“山峰”位置换热系数增大,“山峰”之间的“山谷”换热系数减小,且随入射颗粒质量增大此现象更加明显。靶面展向平均换热系数和区域平均换热系数随入射颗粒质量增大而减小。沙灰颗粒沉积形成的几何形貌使靶板内表面的导热热阻和对流换热热阻增大,导致叶片综合冷却效果降低,上游第一个冷却单元综合冷却效果衰减幅度明显大于其他冷却单元综合冷却效果衰减幅度。
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