多排多排多排弯掠导叶气膜冷却特性的研究

多排多排多排弯掠导叶气膜冷却特性的研究

0齿轮叶片全气膜覆盖研究现状在现代高性能航空发动机中，高温热端部件通常采用气膜冷却技术对高温构件的表面进行保护，气膜冷却技术也是目前应用最广泛、最有效的涡轮冷却方法。随着人们对涡轮性能的进一步需求,涡轮前进口温度不断提高,导致单一的冷却手段已经不在能满足目前涡轮冷却的需要。因此,全气膜覆盖、内冲击冷却和尾缘辟缝等复杂冷却结构协同发挥作用,才能达到目前涡轮冷却的新要求。全气膜覆盖涡轮冷却叶片就是在叶片表面开有多排密集喷射孔排,通过多排孔的喷射在叶片表面形成均匀的冷却气体覆盖,从而隔绝主流高温高压的燃气对叶片的侵蚀,起到保护叶片的作用。上世纪九十年代以来,国际上相继开展了涡轮叶片上气膜冷却的研究,其中大多数都是利用放大的叶片模型和大尺寸低速叶栅风洞进行实验。如Mehendle等(1994)测量了涡轮叶片上有气膜情况下的冷却效率及换热系数,并研究了湍流度及密度比的影响。Jiang等(1996)研究了涡轮叶片上气膜孔排位对冷却效率的影响。Ou等(1994)及Mehendle等(1994)分别研究了非定常尾迹对涡轮叶片上气膜冷却和换热的影响等。公开发表的文献中,气膜冷却研究主要大多集中在冷却机理上的探讨,比较多采用平板模型,而在全尺寸的涡轮叶片全气膜覆盖研究方面,国内外公开发表的文献比较少。CWHaldeman等(2006)人对一级的高压涡轮气膜冷却叶片进行了实验和数值研究,ShantanuMhetras等(2007)人对全气膜覆盖的高压动叶进行了研究,分析了在不同吹风比和喷气孔复合角度对全气膜覆盖涡轮叶片的影响。1叶片冷却形式试验本文所研究的叶片是某高压涡轮第一级导向弯掠叶片,采用全气膜冷却覆盖结构,并且在尾缘处开有辟缝,采用多种冷却喷孔结构形式,如轴向圆孔、扩散孔和复合角度孔,各种冷却形式协同作用,对叶片进行冷却。1.1冷却孔结构特点该涡轮导向掠叶片冷却结构采用主、副冷却腔结构,尾缘开有辟缝,主、副冷却腔中间使用与径向成3°的倾斜隔板隔开,主腔由下部进气,副腔由上部进气,进气端都是冷却腔室大口的一端,两个冷却气体进气腔形成一个喇叭形的入口,这样做的目的是为了减少进气阻力和进气流气动损失。在叶片表面上,总共开有11排冷却喷孔,各排孔之间采用交错插排的排列方式,目的是使冷却气体更均匀的覆盖在叶片表面形成气膜,保护叶片,隔离高温燃气。前缘3排淋浴式(showerhead)喷孔,和吸力面两排后倾(laidback)扩散喷孔以及压力面6排冷却喷孔,其中4排为与壁面垂直,另2排为复合角度斜孔(compoundangel),这些孔排均由主冷却腔供气,而吸力面靠近尾缘处一排复合角度斜孔由副冷却腔供气,同时副冷却腔与尾缘辟缝相连。具体的冷却孔结构可以从图1中得到。全气膜冷却叶片的结构特点就是在叶片表面上开有多排密集的冷气喷射孔,冷却孔的结构和排列方式依据冷却位置的不同相差很大,另外主/副冷却腔和尾缘辟缝等结构也使得总体的冷却结构非常复杂,这些都给网格划分工作带来了很大的困难。文中选用ANSYSICEM作为计算域的网格划分软件,采用结构化和非结构化相结合方式,结构化网格部分形式采用分块结构化网格(Multi-BlockStructuredMesh)。1.2叶片体及为热腔,为水面缘对于本文中所采用的全气膜冷却叶片,网格的构造整体上分成五部分,即主、副冷却腔,尾缘辟缝,叶片体和主流道。如图2和图3中所示。由于结构化网格在复合角度孔附近大的扭曲程度,导致仿真结果出现了不可预料的结果,因此对叶片体采用非结构化网格。图4给出了叶片部分网格构造示意图。1.3整体网格总数本文采用分块网格构造,然后在ANSYSCFX中组合成为整体计算域,各部分网格导入后,最后整体的网格总数在780万左右。计算中所采用的参数为:进口总温1557K,进口总压为12.26×105Pa,出口平均静压为6.7×105Pa,出口静温为1300K,计算采用标准K-ε湍流模型,分别计算了1%、10%和20%三种不同来流湍流度情况。2计算结果和分析2.1u3000叶片表面压力系数及速度比的分布文中所研究的叶片是涡轮第一级导向环形掠叶片,叶片数为42。本节主要研究了叶片中部位置上在不同来流湍流度情况下的压力系数分布情况。定义叶片型面压力系数为Cp,Cp=2(P-P∞*)/pv∞2,其中p∞*为主流来流的总压,p为当地气流静压,v∞为来流速度,Cp代表气流能量损失。速度比的定义式,其中,p∞*为主流来流总压,P为测点的静压,U0为来流进口的平均速度。图5(a)～(b)给出了叶片型面中部截面位置上,叶片表面压力系数以及速度比的分布情况。其中纵坐标为压力系数Cp、速度比Cu,横坐标是截面线所在的坐标系的横坐标值。在叶片中部型线上,湍流度对于压力面侧Cp的分布几乎没有影响,而在吸力面侧,从前缘开始到X=0.038m的位置处,三种湍流度情况下对于Cp的影响也极为有限,而后压力系数增加出现在高自由流湍流的情况下。从图5(b)中看到,叶片表面吸力面上,整体上高湍流度(20%)情况下的速度比要高于低湍流度(1%)的情况,这是因为低湍流度的条件下,冷却射流易于穿透主流,与主流发生掺混,而高湍流度下,射流不易穿过主流,而是很快被主流压弯,贴附在叶片表面,使得高湍流度下的叶片表面速度较大,在叶片前缘附进,由于多排射流孔的存在,流场具有很强的三维特性,这一区域各个孔排间喷射气流受到上游孔排的影响,流动非常复杂,导致叶片前缘区域变化非常剧烈。2.2湍流度对于表面冷却效率的影响为了综合评定冷气对于叶片表面冷却作用,引入实际冷却效率φ,定义φ=Tg-Tc/Tg-Tw,其中,是壁面实际冷却温度,Tg为主流燃气温度,Tc是冷却气体的温度,φ文中简称冷却效率。如图6所示,三种湍流度下吸力面上冷却效率的分布趋势是一样的,不同的是,低湍流度(1%)下的表面冷却效率要高于高湍流度(10%、20%)的情况,且相比压力面,高、低湍流度下吸力面上冷却效率相差要大些。在图7所示的压力面上,总体上说,在叶片前缘处,低湍流度下的的冷却效率要优于高湍流度,低湍流度的情况减小了喷射冷气与主流的作用,使得冷气覆盖情况比高湍流度下的情况要好,而在叶片中后部区域,加速流动的主流在高湍流度下使得冷气的贴壁性较好,因此,叶片表面的冷却效率在高湍流度下要略高于低湍流度的情况。3表面压力系数复杂气膜冷却结构网格采用结构化和非结构化相结合的网格构造方案,更能适应复杂气膜冷却结构;湍流度对于叶片表面压力系数影响较小;在吸