燃?xì)鉁u輪葉片傳熱特性分析ⅱ：渦輪葉片突擴(kuò)突縮型冷卻結(jié)構(gòu)流固耦合傳熱研究 劉明林

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1、中國(guó)工程熱物理學(xué)會(huì)熱機(jī)氣動(dòng)熱力學(xué)學(xué)術(shù)會(huì)議論文編號(hào)：112008燃?xì)鉁u輪葉片傳熱特性分析Ⅱ：渦輪葉片突擴(kuò)突縮型冷卻結(jié)構(gòu)流固耦合傳熱研究劉明林李濤薛興旭顏培剛黃洪雁韓萬(wàn)金（哈爾濱工業(yè)大學(xué)458信箱，推進(jìn)理論與技術(shù)研究所，哈爾濱，150001）（電話：13654668215,E-mail：liuminglin2006@163.com）摘要：本文將經(jīng)過(guò)算例驗(yàn)證的管網(wǎng)程序?qū)ν粩U(kuò)突縮的冷卻結(jié)構(gòu)進(jìn)行了初步的改型，將改型后的冷卻結(jié)構(gòu)應(yīng)用到MarkII導(dǎo)向葉片中，通過(guò)CFX三維計(jì)算對(duì)比了兩種冷卻結(jié)構(gòu)對(duì)MarkII葉片的冷卻效果，結(jié)果顯示突擴(kuò)突縮型冷卻

2、結(jié)構(gòu)能夠有效的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(guò)對(duì)突擴(kuò)突縮型冷卻結(jié)構(gòu)內(nèi)部流體流動(dòng)特性的分析，說(shuō)明了這種冷卻結(jié)構(gòu)具有良好換熱效果好的機(jī)理。關(guān)鍵詞：渦輪葉片；管網(wǎng)程序；突擴(kuò)突縮；傳熱0引言為了提高航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的推重比，增大渦輪的進(jìn)口溫度是常用的措施之一，但是過(guò)高的溫度極大地增加了發(fā)動(dòng)機(jī)的熱負(fù)荷，因而采取更為有效的冷卻方法顯得尤為重要。突擴(kuò)突縮型的冷卻結(jié)構(gòu)可以顯著的增強(qiáng)冷卻工質(zhì)與葉片的換熱效果，其作用機(jī)理相當(dāng)于環(huán)形肋片的擾流作用。目前美國(guó)的GE公司已經(jīng)將突擴(kuò)突縮的被稱為‘竹節(jié)孔’的冷卻結(jié)構(gòu)成功的應(yīng)用到渦輪葉片中

3、，研究表明竹節(jié)孔這種冷卻結(jié)構(gòu)的換熱效果遠(yuǎn)比光滑孔要強(qiáng)，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(dāng)成熟的制造技術(shù)。本文利用突擴(kuò)突縮型冷卻結(jié)構(gòu)換熱效果好的特性，采用現(xiàn)有制造技術(shù)容易加工的突擴(kuò)突縮型冷卻結(jié)構(gòu)將其應(yīng)用到渦輪葉片中，經(jīng)過(guò)三維計(jì)算來(lái)驗(yàn)證該種冷卻結(jié)構(gòu)的傳熱特性。1改型設(shè)計(jì)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(biāo)是在不降低冷卻結(jié)構(gòu)換熱效果的情況下，使局部損失系數(shù)最小，通過(guò)下面給出的局部阻力系數(shù)計(jì)算公式[1

4、]，說(shuō)明突擴(kuò)突縮冷卻結(jié)構(gòu)的局部損失系數(shù)大小與流動(dòng)速度無(wú)關(guān)，只取決于管道的幾何形狀和面積大小，在本例中保持突擴(kuò)段直徑不變，改變突縮段直徑來(lái)形成多種冷卻方案，在給定相同的邊界條件的情況下，通過(guò)管網(wǎng)程序快速預(yù)測(cè)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(jìn)行三維計(jì)算，其中換熱系數(shù)計(jì)算公式采用與阻力系數(shù)相關(guān)聯(lián)的四壁帶肋方形通道web[2]公式來(lái)近似計(jì)算。圖一突擴(kuò)突縮冷卻通道局部示意圖參數(shù)說(shuō)明：突擴(kuò)管段和突縮管段的局部損失系數(shù)分別為、，、分別為突擴(kuò)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

5、擴(kuò)突縮型冷卻結(jié)構(gòu)的綜合換熱效果[3]，計(jì)算公式分別為（1）~（4）。、（1）（2）（3）（4）圖二突擴(kuò)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(dāng)時(shí)，突擴(kuò)突縮型冷卻結(jié)構(gòu)的綜合換熱效果最好，將此改型方案應(yīng)用到MarkII葉片中，使十根冷卻管道都采用管徑比為的突擴(kuò)突縮型冷卻結(jié)構(gòu)。2數(shù)值計(jì)算MarkII葉片[4]原有的冷卻結(jié)構(gòu)是十根管徑不同的光滑管道，為了研究突擴(kuò)突縮型冷卻結(jié)構(gòu)的換熱效果和機(jī)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(kuò)突縮冷卻結(jié)構(gòu)應(yīng)用到MarkII導(dǎo)向葉片中，經(jīng)過(guò)三維流固耦合計(jì)算來(lái)對(duì)比這兩種冷卻結(jié)

6、構(gòu)的換熱效果。2.1計(jì)算模型及網(wǎng)格劃分圖三MarkII渦輪葉柵幾何模型圖四MarkII渦輪葉柵計(jì)算網(wǎng)格圖五MarkII渦輪葉片新型冷卻結(jié)構(gòu)圖六MarkII渦輪葉片新型冷卻結(jié)構(gòu)計(jì)算網(wǎng)格2.2邊界條件和湍流模型采用考慮轉(zhuǎn)捩流動(dòng)特性的k-ω-SST-γ-θ湍流模型，這種模型能夠準(zhǔn)確分辨層流及轉(zhuǎn)捩狀態(tài)，對(duì)邊界層內(nèi)復(fù)雜流動(dòng)和傳熱過(guò)程的模擬較為準(zhǔn)確。但其不足之處在于，過(guò)高地估計(jì)了轉(zhuǎn)捩區(qū)域的湍動(dòng)能而造成轉(zhuǎn)捩區(qū)預(yù)測(cè)過(guò)長(zhǎng)，從而使得對(duì)流換熱系數(shù)計(jì)算值過(guò)大，溫度偏高。表1MarkII渦輪葉柵主流燃?xì)膺吔鐥l件實(shí)驗(yàn)工況5411進(jìn)口邊界條件進(jìn)口總壓/Pa337

7、097進(jìn)口總溫/K788進(jìn)口湍流強(qiáng)度/%6.5進(jìn)口粘性比10進(jìn)口馬赫數(shù)0.19進(jìn)口雷諾數(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/K16.30.024632626.30.023731636.30.023832246.30.024732856.30.023330866.30.022830576.30.023831383.10.0077533593.10.00511330101.980.00334354

8、2.3結(jié)果對(duì)比分析圖七M(jìn)arkII原型和改型后中徑處葉片表面的溫度分布對(duì)比圖八MarkII原型和改型后中徑處葉片表面的換熱系數(shù)對(duì)比符號(hào)說(shuō)明：在圖中橫坐標(biāo)是無(wú)量綱參數(shù)X/L，L為葉片的軸向弦長(zhǎng)，以X/L值的正負(fù)分別表示葉片吸力面和壓力面