【摘 要】
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径流涡轮广泛用于小微型涡轮、涡轮增压器、小型喷气发动机和膨胀机,对较高系统效率的追求导致涡轮进口温度不断升高,从而威胁了其可靠性。冷却技术通常用于大型涡轮机械中以控制涡轮机的温度。例如,射流冷却技术被用于冷却轴流式涡轮机的定子、转子和其他组件已有数十年的历史了。但是,很少有关于径流涡轮机动叶片和转子背盘的冷却研究。本文研究了径流涡轮的射流冷却,通过在涡轮机转子后面的隔热板上开设的几个射流孔将少量空
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径流涡轮广泛用于小微型涡轮、涡轮增压器、小型喷气发动机和膨胀机,对较高系统效率的追求导致涡轮进口温度不断升高,从而威胁了其可靠性。冷却技术通常用于大型涡轮机械中以控制涡轮机的温度。例如,射流冷却技术被用于冷却轴流式涡轮机的定子、转子和其他组件已有数十年的历史了。但是,很少有关于径流涡轮机动叶片和转子背盘的冷却研究。本文研究了径流涡轮的射流冷却,通过在涡轮机转子后面的隔热板上开设的几个射流孔将少量空气（可使用通过中冷器冷却或不冷却的压缩机排出的空气）喷入到涡轮机转子叶片进口区域和背盘上,以冷却转子叶片和背盘。使用共轭传热（Conjugated Heat Transfer,CHT）研究了带有星型背盘的涡轮增压器的涡轮机,通过稳态仿真研究了影响射流冷却效果的参数,如射流孔数量、冷气质量流量比、射流孔位置和射流预旋角度等因素对涡轮冷却效果和气动性能的影响。并通过非稳态仿真分析了四孔和十三孔射流冷却的特性。仿真结果表明:冷气质量流量比mco对叶片诱导轮毂影响最大,背盘次之,对叶片前缘表面的影响最小。涡轮机设计工况下,四孔射流冷却使用涡轮主流质量流量的1.0%～3.0%时,转子表面平均温度降低了 23K～40K;叶片前缘表面平均温度降低2K～17K;叶片诱导轮毂表面平均温度降低了 27K～65K;背盘表面平均温度降低了 51K～70K。多孔射流可以改善少孔射流下的转子温度分布不均匀现象。但是,多孔射流冷却的不足之处是叶片前缘的高位区特别是叶尖区域得不到有效冷却。射流孔位置半径比rh/R≤Rd/R时,对背盘和诱导轮毂冷却效果较好;射流孔位置半径比rh/R=1.0时,叶片前缘冷却效果最好。逆向射流角和径向射流角更有利于转子和背盘的冷却;顺向射流预旋角对叶片前缘的冷却效果较好;径向射流预旋角对叶片诱导轮毂的冷却效果较好。射流冷却下,叶片吸力面的冷却效果总是比压力面好。叶片诱导轮毂表面的平均温度呈现出一定的冷却周期。射流孔越多,一个旋转周期内冷却周期越多。另外,射流冷却技术对径流涡轮效率、膨胀比和主流质量流量有轻微的负面影响。
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