突片作用下气膜冷却的实验与数值研究

摘要

气膜冷却广泛应用于燃气轮机涡轮发动机热端部件的冷却中。但随着发动机热端部件的工作环境愈加恶劣，传统的气膜冷却方法已经不能满足热端部件冷却的需要。突片作用下的气膜冷却是一种新型的冷却方法，能够有效提高气膜冷却效果。本文设计了三角形、梯形和椭圆形三种不同结构的突片，搭建了实验台，采用红外摄像仪测量气膜冷却壁面温度，获得了突片对气膜冷却效率、对流换热系数以及流量系数的影响规律，同时，采用商用FLUENT软件，对突片作用下的气膜冷却传热特性进行了数值模拟。通过研究，得到如下主要结论： (1) 突片的存在强化了气膜冷却效率，使得气膜冷却效率远高于无突片的气膜冷却效率。吹风比对气膜冷却效率有很大的影响，但对不同的突片，在不同的气膜冷却区域，吹风比对气膜冷却效果的影响也不相同。对于结构相同的突片，在相同的吹风比下，冷却效率随突片堵塞比的增加而增大；而对不同的突片，在堵塞比相同时，梯形突片的冷却效率最高，三角形突片的冷却效率最低，但均高于无突片时的冷却效率。 (2) 突片的存在对气膜冷却对流换热系数有影响。但对于不同的突片堵塞比，这种影响也不同。三角形突片在B=0.107和B=0.214时的换热系数与无突片的换热系数相差不大，而在B=0.387时则明显大于无突片的对流换热系数。梯形突片和椭圆形突片换热系数则在所有堵塞比下均大于无突片的换热系数，且梯形突片在B=0.214时换热效果最好。 (3) 突片的存在对气膜孔的流量系数有很大的影响。气膜孔的流量系数Cd均随突片堵塞比的增大而减小，无突片的情况下Cd最大。