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《燃氣渦輪葉片傳熱特性分析ⅱ：渦輪葉片突擴突縮型冷卻結構流固耦合傳熱研究 劉明林》由會員上傳分享，免費在線閱讀，更多相關內容在行業(yè)資料-天天文庫。
1、中國工程熱物理學會熱機氣動熱力學學術會議論文編號：112008燃氣渦輪葉片傳熱特性分析Ⅱ：渦輪葉片突擴突縮型冷卻結構流固耦合傳熱研究劉明林李濤薛興旭顏培剛黃洪雁韓萬金（哈爾濱工業(yè)大學458信箱，推進理論與技術研究所，哈爾濱，150001）（電話：13654668215,E-mail：liuminglin2006@163.com）摘要：本文將經(jīng)過算例驗證的管網(wǎng)程序對突擴突縮的冷卻結構進行了初步的改型，將改型后的冷卻結構應用到MarkII導向葉片中，通過CFX三維計算對比了兩種冷卻結構對MarkII葉片的冷卻效果，結果顯示突擴突縮型冷卻結構能夠有效的
2、降低葉片的平均溫度，而且能夠使葉片溫度分布更加均勻；通過對突擴突縮型冷卻結構內部流體流動特性的分析，說明了這種冷卻結構具有良好換熱效果好的機理。關鍵詞：渦輪葉片；管網(wǎng)程序；突擴突縮；傳熱0引言為了提高航空燃氣渦輪發(fā)動機的推重比，增大渦輪的進口溫度是常用的措施之一，但是過高的溫度極大地增加了發(fā)動機的熱負荷，因而采取更為有效的冷卻方法顯得尤為重要。突擴突縮型的冷卻結構可以顯著的增強冷卻工質與葉片的換熱效果，其作用機理相當于環(huán)形肋片的擾流作用。目前美國的GE公司已經(jīng)將突擴突縮的被稱為‘竹節(jié)孔’的冷卻結構成功的應用到渦輪葉片中，研究表明竹節(jié)孔這種冷卻結構
3、的換熱效果遠比光滑孔要強，具有高效低阻的特性。GE公司主要是將竹節(jié)孔布置在葉片的外圍，而且限制了孔徑最大處約為1.5mm，顯然加工這么微小的竹節(jié)孔需要相當成熟的制造技術。本文利用突擴突縮型冷卻結構換熱效果好的特性，采用現(xiàn)有制造技術容易加工的突擴突縮型冷卻結構將其應用到渦輪葉片中，經(jīng)過三維計算來驗證該種冷卻結構的傳熱特性。1改型設計渦輪葉片冷卻通道中局部損失系數(shù)的大小直接決定了流體壓力損失的大小，因而本文改型的目標是在不降低冷卻結構換熱效果的情況下，使局部損失系數(shù)最小，通過下面給出的局部阻力系數(shù)計算公式[1]，說明突擴突縮冷卻結構的局部損失系數(shù)大小
4、與流動速度無關，只取決于管道的幾何形狀和面積大小，在本例中保持突擴段直徑不變，改變突縮段直徑來形成多種冷卻方案，在給定相同的邊界條件的情況下，通過管網(wǎng)程序快速預測各種冷卻方案的綜合冷卻效果，然后選擇合理的冷卻方案進行三維計算，其中換熱系數(shù)計算公式采用與阻力系數(shù)相關聯(lián)的四壁帶肋方形通道web[2]公式來近似計算。圖一突擴突縮冷卻通道局部示意圖參數(shù)說明：突擴管段和突縮管段的局部損失系數(shù)分別為、，、分別為突擴突縮型管道中流體的努賽爾數(shù)和阻力系數(shù)，、分別表示光滑直管道流體的努賽爾數(shù)和阻力系數(shù)，表征突擴突縮型冷卻結構的綜合換熱效果[3]，計算公式分別為（1
5、）~（4）。、（1）（2）（3）（4）圖二突擴突縮型冷卻通道綜合換熱效果隨管徑比的變化由圖二可以看出，當時，突擴突縮型冷卻結構的綜合換熱效果最好，將此改型方案應用到MarkII葉片中，使十根冷卻管道都采用管徑比為的突擴突縮型冷卻結構。2數(shù)值計算MarkII葉片[4]原有的冷卻結構是十根管徑不同的光滑管道，為了研究突擴突縮型冷卻結構的換熱效果和機理，在給定相同邊界條件的情況下，將管網(wǎng)程序初步改型的突擴突縮冷卻結構應用到MarkII導向葉片中，經(jīng)過三維流固耦合計算來對比這兩種冷卻結構的換熱效果。2.1計算模型及網(wǎng)格劃分圖三MarkII渦輪葉柵幾何模型
6、圖四MarkII渦輪葉柵計算網(wǎng)格圖五MarkII渦輪葉片新型冷卻結構圖六MarkII渦輪葉片新型冷卻結構計算網(wǎng)格2.2邊界條件和湍流模型采用考慮轉捩流動特性的k-ω-SST-γ-θ湍流模型，這種模型能夠準確分辨層流及轉捩狀態(tài)，對邊界層內復雜流動和傳熱過程的模擬較為準確。但其不足之處在于，過高地估計了轉捩區(qū)域的湍動能而造成轉捩區(qū)預測過長，從而使得對流換熱系數(shù)計算值過大，溫度偏高。表1MarkII渦輪葉柵主流燃氣邊界條件實驗工況5411進口邊界條件進口總壓/Pa337097進口總溫/K788進口湍流強度/%6.5進口粘性比10進口馬赫數(shù)0.19進口雷
7、諾數(shù)5.6×106出口邊界條件出口靜壓/Pa175713出口馬赫數(shù)1.04出口雷諾數(shù)2.0×106表2MarkII徑向冷卻通道邊界條件幾何模型冷卻通道直徑/mm流量/kg/sTin/K16.30.024632626.30.023731636.30.023832246.30.024732856.30.023330866.30.022830576.30.023831383.10.0077533593.10.00511330101.980.003343542.3結果對比分析圖七MarkII原型和改型后中徑處葉片表面的溫度分布對比圖八MarkII原型和改
8、型后中徑處葉片表面的換熱系數(shù)對比符號說明：在圖中橫坐標是無量綱參數(shù)X/L，L為葉片的軸向弦長，以X/L值的正負分別表示葉片吸力面和壓力面
