多排多排多排彎掠導葉氣膜冷卻特性的研究

多排多排多排彎掠導葉氣膜冷卻特性的研究

0齒輪葉片全氣膜覆蓋研究現(xiàn)狀在現(xiàn)代高性能航空發(fā)動機中，高溫熱端部件通常采用氣膜冷卻技術對高溫構件的表面進行保護，氣膜冷卻技術也是目前應用最廣泛、最有效的渦輪冷卻方法。隨著人們對渦輪性能的進一步需求,渦輪前進口溫度不斷提高,導致單一的冷卻手段已經不在能滿足目前渦輪冷卻的需要。因此,全氣膜覆蓋、內沖擊冷卻和尾緣辟縫等復雜冷卻結構協(xié)同發(fā)揮作用,才能達到目前渦輪冷卻的新要求。全氣膜覆蓋渦輪冷卻葉片就是在葉片表面開有多排密集噴射孔排,通過多排孔的噴射在葉片表面形成均勻的冷卻氣體覆蓋,從而隔絕主流高溫高壓的燃氣對葉片的侵蝕,起到保護葉片的作用。上世紀九十年代以來,國際上相繼開展了渦輪葉片上氣膜冷卻的研究,其中大多數(shù)都是利用放大的葉片模型和大尺寸低速葉柵風洞進行實驗。如Mehendle等(1994)測量了渦輪葉片上有氣膜情況下的冷卻效率及換熱系數(shù),并研究了湍流度及密度比的影響。Jiang等(1996)研究了渦輪葉片上氣膜孔排位對冷卻效率的影響。Ou等(1994)及Mehendle等(1994)分別研究了非定常尾跡對渦輪葉片上氣膜冷卻和換熱的影響等。公開發(fā)表的文獻中,氣膜冷卻研究主要大多集中在冷卻機理上的探討,比較多采用平板模型,而在全尺寸的渦輪葉片全氣膜覆蓋研究方面,國內外公開發(fā)表的文獻比較少。CWHaldeman等(2006)人對一級的高壓渦輪氣膜冷卻葉片進行了實驗和數(shù)值研究,ShantanuMhetras等(2007)人對全氣膜覆蓋的高壓動葉進行了研究,分析了在不同吹風比和噴氣孔復合角度對全氣膜覆蓋渦輪葉片的影響。1葉片冷卻形式試驗本文所研究的葉片是某高壓渦輪第一級導向彎掠葉片,采用全氣膜冷卻覆蓋結構,并且在尾緣處開有辟縫,采用多種冷卻噴孔結構形式,如軸向圓孔、擴散孔和復合角度孔,各種冷卻形式協(xié)同作用,對葉片進行冷卻。1.1冷卻孔結構特點該渦輪導向掠葉片冷卻結構采用主、副冷卻腔結構,尾緣開有辟縫,主、副冷卻腔中間使用與徑向成3°的傾斜隔板隔開,主腔由下部進氣,副腔由上部進氣,進氣端都是冷卻腔室大口的一端,兩個冷卻氣體進氣腔形成一個喇叭形的入口,這樣做的目的是為了減少進氣阻力和進氣流氣動損失。在葉片表面上,總共開有11排冷卻噴孔,各排孔之間采用交錯插排的排列方式,目的是使冷卻氣體更均勻的覆蓋在葉片表面形成氣膜,保護葉片,隔離高溫燃氣。前緣3排淋浴式(showerhead)噴孔,和吸力面兩排后傾(laidback)擴散噴孔以及壓力面6排冷卻噴孔,其中4排為與壁面垂直,另2排為復合角度斜孔(compoundangel),這些孔排均由主冷卻腔供氣,而吸力面靠近尾緣處一排復合角度斜孔由副冷卻腔供氣,同時副冷卻腔與尾緣辟縫相連。具體的冷卻孔結構可以從圖1中得到。全氣膜冷卻葉片的結構特點就是在葉片表面上開有多排密集的冷氣噴射孔,冷卻孔的結構和排列方式依據(jù)冷卻位置的不同相差很大,另外主/副冷卻腔和尾緣辟縫等結構也使得總體的冷卻結構非常復雜,這些都給網格劃分工作帶來了很大的困難。文中選用ANSYSICEM作為計算域的網格劃分軟件,采用結構化和非結構化相結合方式,結構化網格部分形式采用分塊結構化網格(Multi-BlockStructuredMesh)。1.2葉片體及為熱腔,為水面緣對于本文中所采用的全氣膜冷卻葉片,網格的構造整體上分成五部分,即主、副冷卻腔,尾緣辟縫,葉片體和主流道。如圖2和圖3中所示。由于結構化網格在復合角度孔附近大的扭曲程度,導致仿真結果出現(xiàn)了不可預料的結果,因此對葉片體采用非結構化網格。圖4給出了葉片部分網格構造示意圖。1.3整體網格總數(shù)本文采用分塊網格構造,然后在ANSYSCFX中組合成為整體計算域,各部分網格導入后,最后整體的網格總數(shù)在780萬左右。計算中所采用的參數(shù)為:進口總溫1557K,進口總壓為12.26×105Pa,出口平均靜壓為6.7×105Pa,出口靜溫為1300K,計算采用標準K-ε湍流模型,分別計算了1%、10%和20%三種不同來流湍流度情況。2計算結果和分析2.1u3000葉片表面壓力系數(shù)及速度比的分布文中所研究的葉片是渦輪第一級導向環(huán)形掠葉片,葉片數(shù)為42。本節(jié)主要研究了葉片中部位置上在不同來流湍流度情況下的壓力系數(shù)分布情況。定義葉片型面壓力系數(shù)為Cp,Cp=2(P-P∞*)/pv∞2,其中p∞*為主流來流的總壓,p為當?shù)貧饬黛o壓,v∞為來流速度,Cp代表氣流能量損失。速度比的定義式,其中,p∞*為主流來流總壓,P為測點的靜壓,U0為來流進口的平均速度。圖5(a)～(b)給出了葉片型面中部截面位置上,葉片表面壓力系數(shù)以及速度比的分布情況。其中縱坐標為壓力系數(shù)Cp、速度比Cu,橫坐標是截面線所在的坐標系的橫坐標值。在葉片中部型線上,湍流度對于壓力面?zhèn)菴p的分布幾乎沒有影響,而在吸力面?zhèn)?從前緣開始到X=0.038m的位置處,三種湍流度情況下對于Cp的影響也極為有限,而后壓力系數(shù)增加出現(xiàn)在高自由流湍流的情況下。從圖5(b)中看到,葉片表面吸力面上,整體上高湍流度(20%)情況下的速度比要高于低湍流度(1%)的情況,這是因為低湍流度的條件下,冷卻射流易于穿透主流,與主流發(fā)生摻混,而高湍流度下,射流不易穿過主流,而是很快被主流壓彎,貼附在葉片表面,使得高湍流度下的葉片表面速度較大,在葉片前緣附進,由于多排射流孔的存在,流場具有很強的三維特性,這一區(qū)域各個孔排間噴射氣流受到上游孔排的影響,流動非常復雜,導致葉片前緣區(qū)域變化非常劇烈。2.2湍流度對于表面冷卻效率的影響為了綜合評定冷氣對于葉片表面冷卻作用,引入實際冷卻效率φ,定義φ=Tg-Tc/Tg-Tw,其中,是壁面實際冷卻溫度,Tg為主流燃氣溫度,Tc是冷卻氣體的溫度,φ文中簡稱冷卻效率。如圖6所示,三種湍流度下吸力面上冷卻效率的分布趨勢是一樣的,不同的是,低湍流度(1%)下的表面冷卻效率要高于高湍流度(10%、20%)的情況,且相比壓力面,高、低湍流度下吸力面上冷卻效率相差要大些。在圖7所示的壓力面上,總體上說,在葉片前緣處,低湍流度下的的冷卻效率要優(yōu)于高湍流度,低湍流度的情況減小了噴射冷氣與主流的作用,使得冷氣覆蓋情況比高湍流度下的情況要好,而在葉片中后部區(qū)域,加速流動的主流在高湍流度下使得冷氣的貼壁性較好,因此,葉片表面的冷卻效率在高湍流度下要略高于低湍流度的情況。3表面壓力系數(shù)復雜氣膜冷卻結構網格采用結構化和非結構化相結合的網格構造方案,更能適應復雜氣膜冷卻結構;湍流度對于葉片表面壓力系數(shù)影響較小;在吸