对带气膜孔的肋化冷却通道耦合换热特性的实验与数值研究.doc

对带气膜孔的肋化冷却通道耦合换热特性的实验与数值研究提高涡轮前燃气透平进口温度已经成为现代航空涡轮发动机获得更高推重比和热效率的重要途径,当前这一进口温度已经远远超出涡轮叶片材料耐高温性能的极限。为了保证涡轮叶片的正常使用寿命,必须采用更加有效的冷却技术加以保护,免受高温气体侵蚀。准确预测涡轮叶片表面温度场分布并提高冷却效率如今成为延长涡轮叶片工作寿命的关键问题,无数科研工作者对此做了大量研究,发展出多种多样的冷却方法,从早期简单的光滑内部壁面直接对流技术,经过内置肋片强化对流、冲击冷却、外部气膜冷却,到层板冷却甚至发散冷却技术等。随着透平性能的改善,单一冷却方式已经不能满足日益提高的透平进口温度,因此多种冷却技术相互组合的方式已成为当前涡轮叶片冷却领域的热门课题。在前人研究中,对涡轮叶片冷却技术的研究工作大多数仍停留在分别单独探讨内部冷却与外部冷却特性的阶段；现如今真实涡轮叶片中段内部冷却通道中已经广泛采用内部冷却与外部冷却相组合的方式。此外,实际涡轮叶片由金属合金制成,整个叶片外部处于高温燃气中,同时冷却工质在内部通道中流动,这是一个高度耦合的过程。采用绝热壁面条件对内部与外部冷却特性单独研究的方法已不能直观地反映如今涡轮叶片冷却的真实状况。因此为了尽可能尊重真实情况,本文在采用实验和数值方法研究真实叶片涡轮片内部中段某冷却通道中带倾斜肋片与具有复合角度倾斜气膜孔组合结构的流动和换热特性时,实验工作采取非绝热壁面条件,在高温燃气中对复合结构进行研究；数值模拟工作采用流-固-热耦合计算方法实现。本文通过实验与数值模拟相结合的方法,对四种肋片与气膜孔组合冷却通道的换热特性进行了研究。本文将真实涡轮叶片的蛇形通道简化为矩形直通道,在冷却通道内部安置有斜肋排加强对流换热；同时在低换热区安置有带复合角的气膜孔,冷却气体从气膜孔排出在外壁面局部区域形成气膜覆盖以阻挡高温燃气的入侵。与以往研究工作的不同之处在于：前人在研究涡轮叶片冷却通道内部肋片换热效果或外部气膜冷却特性时,大多数以绝热壁面假设为前提,选用有机玻璃等低导热材料,在低温甚至常温主流环境下实验研究换热特性,整个试验件的温差变化范围很小；而本文的实验工作在高温热风洞中进行,试验件由高温合金材料制造,整个实验系统模拟涡轮叶片实际工作环境,即：试验件外部处于主流热流高温环境(400℃～730℃),组合冷却结构的内部通入冷却气体(常温气体),实验在大温差条件下完成,以保证实现通道内部的冷却气体通过与肋化面的对流换热、金属壁面的热传导以及外部局部冷气膜的覆盖等作用,对高温环境下的组合结构进行冷却。本文实验研究的四种组合冷却结构中,肋片角度为60°,气膜孔具有两个方向均为20°的复合角,并且气膜孔的入口位于冷却通道中轴面上。四种结构的区别在于：a)气膜孔位于肋片后方；b)气膜孔位于两肋片正中间；c)气膜孔位于肋片前方；d)气膜孔分别位于肋片前方与后方的双气膜孔结构。实验工作中,通过分析红外有效拍摄区域内试验件表面温度分布图像,可以观察到金属壁面中的热传导作用；分析矩形通道表面温度分布及温差分布图像,可以获取详细的内部对流换热和外部气膜冷却特征；此外本文定性和定量分析了主流流量、主流温度以及冷却流量等对平均综合冷却效率的影响,并对四种复合结构的冷却能力作出合理评估；本文对高低温适用性也作出了合理分析。数值模拟工作中,本文使用AnsysCFX软件内置的SSTκ-ω湍流模型对结构a进行了研究。采用实验数据对湍流模型和数值方法进行了验证,在此基础上数值模拟了结构a的流场和温度场,计算出努塞尔数分布和平均综合冷却效率；为了突显带气膜孔肋化冷却通道组合结构的优越性,本文选择纯肋化冷却通道为参考,详细对比分析了两种结构中主流雷诺数、主流与冷却流质量流量比、主流与冷却流温度比和吹风比等方面对平均综合冷却效率的影响,并给出合理评估。