复杂涡轮叶片换热特性研究

来源 :南京航空航天大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:BIGSKYKING
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随着航空发动机性能的不断提升,涡轮前温度已经远远超过叶片材料的高温极限,现有涡轮叶片必须采用高效的冷却技术才能满足使用需要,涡轮叶片冷却主要分为内部换热冷却和外部气膜冷却,而外部气膜将会严重影响叶片全表面的换热和气动特性。本文以某型复杂气冷涡轮叶片为对象,采用实验和数值模拟的方法研究了流动参数对其10%、50%和90%叶高型面气膜冷却绝热效率、努塞尔数和静压系数分布以及气动损失的影响规律,同时对叶片综合冷却效率进行了研究。研究结论如下:(1)叶片温度场分布受内部冷却和外表面换热共同影响,叶片前缘尽管布置有多排气膜孔,但主流在此区域滞止外表面换热最大,温度偏高,当流量比为0.02时,前缘高温更加显著;叶顶由于冷却结构有限没有得到较好冷却,均处于较高温度状态;(2)增加流量比可以有效提高叶片综合冷却效率,当流量比从0.02增加到0.07时,叶片平均综合冷却效率从0.426升高到0.645,增加了51.4%;温比对叶片综合冷却效率影响虽然不明显,但由于温比增大,冷却气体温度降低,可以有效降低叶片表面温度;叶栅落压比对综合冷却效率影响不大,当落压比从1.3增加到1.5时,平均综合冷却效率由0.524上升至0.565,升高了7.8%;主流温度升高不会影响综合冷却效率分布,但会引起综合冷却效率下降;(3)随着主流雷诺数的增加,主流对气膜夹带作用加强,绝热壁面温度逐渐升高,绝热效率降低,主流速度的增大也造成叶片表面努塞尔数逐渐增大;不同叶高叶型由于前缘曲率和叶片厚度不同,主流流动差异导致叶片表面冷却和换热有所差别;(4)受气膜出流角度的影响,吹风比从气膜层的贴附性和冷却气量两方面影响绝热壁温分布和绝热冷却效率,随着吹风比的增大,绝热冷却效率整体趋势先降低后升高,仅在尾缘处与吹风比成正变化,吹风比的增大破坏近壁区气膜层的同时加剧了主流的扰动,使得叶片表面换热增强;(5)叶片表面静压分布对出口马赫数不敏感,但受叶型影响较大,90%叶高前缘曲率较大,加速效果明显,静压系数在吸力面X/S=0.28处达到最小值-5.18,同时90%叶高叶栅稠度最小,压降最大,尾缘静压系数达到-3.5,50%叶高次之,尾缘静压系数为-3;(6)随着出口马赫数从0.08增加至0.23,叶栅总压恢复系数在0.999至0.994范围内逐渐降低,吹风从1.5增加到4.5时,总压恢复系数从0.998减小至0.976。
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