涡轮叶片尾缘偏劈缝气膜冷却有效温比与流动阻力研究

摘要

由热力循环可知，燃气轮机的性能受涡轮进口燃气温度的影响较大，提高涡轮进口温度是改善涡轮发动机性能的发展趋势。因此，为保证燃气轮机的使用寿命和安全性，涡轮叶片必须采取冷却措施。本文根据涡轮叶片尾缘气膜冷却设计的要求，对叶片尾缘偏劈缝冷却结构的流动与换热特性进行了实验研究。 实验在一个包括冷热风的双系统风洞的测试段完成，其中热风系统为一个半封闭式回风加热系统。建立了涡轮叶片尾缘偏劈缝冷却结构的实验模型，试件是根据相似原理把实际叶片尾缘的很小一部分20倍放大而成。该试件模型为一个楔角为10°的楔型通道。在试件内部偏劈缝之前布置有三排扰流柱，扰流柱呈叉排布置，每个偏劈缝出口对应一个扰流柱。偏劈缝后尾缘板是由聚乙烯玻璃纤维树酯加工而成，该材料的导热系数很小，尾缘板可视为绝热板。 实验中在扰流柱前、扰流柱后及偏劈缝后三处选取了三个截面，测量了这三个截面的静压值，通过分析这三个截面的静压值来研究扰流柱及偏劈缝对通道流动的影响，同时为了更好的比较，文中还采用了压力系数将静压差转化为无量纲的压力系数进行分析。 实验中对尾缘偏劈缝后冷却气体的速度分布进行了测量，测量分两个方向进行，一是沿平行于尾缘绝热板的方向进行，另一是沿垂直于尾缘绝热板的方向进行。文中分析了尾缘偏劈缝孔缝下游平行于绝热板方向与垂直于绝热板方向的速度分布特性与冷却气体Reynolds数的关系。 本文为了对尾缘偏劈缝结构进行优化设计，研究了可反映气膜冷却效果的尾缘偏劈缝后绝热板的绝热壁面有效温比。实验中研究了六个参数变化对绝热壁面有效温比的影响，它们分别是：尾缘偏劈缝后的绝热板长度（ 、5、6、7、8、9、10）、尾缘偏劈缝的长度与间距比（ 、0.45、0.50、0.55、0.60、0.65、0.70）、长宽比（ 、3.0、3.5、4.0、4.5、5.0、5.5）、出气角（ °、2°、4°、6°、8°、10°）、吹风比（ 、0.8、0.9、1.0、1.1、1.2、1.3）、冷却气体Reynolds数（ 、4.5×103、5.0×103、5.5×103、6.0×103、6.5×103、7.0×103）。结果表明，尾缘板上绝热壁面有效温比最小的点并不在尾缘末端，而是在绝热板热气侧靠近末端的区域。随着尾缘绝热板长度的增大，最小绝热壁面有效温比的值在不断减小；尾缘偏劈缝的长度间距比越大，最小绝热壁面有效温比的值也越大；尾缘偏劈缝的长宽比越大，最小绝热壁面有效温比的值反而越小；在出气角 °时最小绝热壁面有效温比的值最大，随着出气角 的增大最小绝热壁面有效温比逐渐减小；当吹风比 时，最小绝热壁面有效温比的值最大，对于一定的工况，存在有一个最佳的吹风比；最小绝热壁面有效温比随着冷却气体Reynolds数的增大而增大。文中还分别拟合得出了偏劈缝后尾缘绝热板冷气侧孔缝与栅隔下游最小绝热壁面有效温比、冷气侧栅隔下游与孔缝下游平均绝热壁面有效温比以及绝热板冷气侧与热气侧的平均绝热壁面有效温比随 ， ， ， ， 及 等参数变化的准则关联式。 本文应用湍流模型对涡轮叶片尾缘针肋通道的换热与流动进行了二维数值模拟研究。为了研究通道内针肋排列方式对换热与流动的影响，对三种不同的针肋排列方式的通道进行了数值模拟计算。比较了顺排和叉排的区别，并提出了一种沿流向叉排的针肋排列方式，且对各种排列的传热和阻力特性进行了综合分析和比较；为了研究通道内沿流向叉排的排列方式下针肋直径对通道换热与流动的影响，对不同针肋直径的叶片尾缘通道进行了数值模拟计算，并对通道传热和阻力特性进行了综合分析与比较。得出沿流向呈叉排方式布置针肋的通道换热效果最佳，此种排列方式下针肋直径越大，通道内的换热效果越好。