气膜孔结构对涡轮导叶端壁冷却效率的影响研究

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1、2010年舅36蕊鞭2期V01．36No．2Apr．2010了口／了1气膜孔结构对涡轮导叶端壁冷却效率的影响研究王子健(北京航空航天大学能源与动力工程学院，北京100191)王子健(1984)。男，硕士，主要从事航空发动机高温部件强化换热与冷却研究。1引言随着航空发动机性能的显著提高，涡轮进13温度E得以快速提高，使得涡轮导叶端壁流动和换热更加复杂，叶栅端壁壁温接近材料的工作极限。为了让涡轮叶栅安全工作，必须对叶栅端壁进行冷却。气膜冷却技术作为高性能航空发动机高温部件的主要冷却方摘要：对涡轮叶栅端壁上游4种气膜冷却结构模型进行了数值模拟。得出在不’同吹风比情况下涡轮叶栅端壁的流动与换热特性。结

2、果表明，无槽气膜孔冷气射流在孔下游与主流相互作用形成1对转动方向相反的耦合涡，主流被卷入耦合涡并冲击到了端壁，使得孔问壁温接近主流温度。气膜冷却效率很低；带槽气膜孔抑制了耦合涡的形成，冷却了孔间端壁，气膜冷却效率较高，而且，随着槽深度的增加，冷气的展向(1，向)宽度逐渐增加，扩大了冷气覆盖区域。提高了端壁气膜冷却效率。关键词：气膜冷却效率；叶栅端壁；数值计算；无槽气膜孔；带槽气膜孔EffectsofFilmHoleonCoolingEfficiencyofTurbineCascadeEndwalIWANGZi-jian(SchoolofJetPropulsion，BeringUniversit

3、yofAeronauticsandAstronautics，Beijingl00191，China)Abstract：Thenumericalsimulat幻noffourfilmcoolingstructuresoftheturbinecascadeendwJlupstream邶carriedout．孤扫月聊andhemtransfercharac把ristics伽旭obtained面differentblowing砒Theno-s三Dt乒lm7ld如coolingjetinterac捃wuhthemains押eam曲诅generatesapairofcounterrotatingcoupl

4、ingvo厅wesd,ou)ns押eamthe幻如豇Thevonwesentrainethemainstmam仍谢impac捃ontheendwal50thattheendwdl招mperaturebetweentheh如s札胁near幻themainstream招mperatureandthefilmcooling电纷据，lc，，括verylow．Thes幻tfilmJIlo如coolingjetinh硒its舭format幻n矿couplingvo疗wesandcoo&theendwallbetweenthehokssothatcoolingeffectweness函hisher．Momo

5、vehwbhtheincreaseofsk吨deepandtheninc形=eofthecoolingairlater瘟(Y)wide啦thetzl'e口of咖coozingair豇enlargedandthefil,ncoolinge．Etc拓ncy白alsoincrease正Keywords：filmcoolingefficiency；cascadeendwall；numencalcalculation；non-slot俐mhOle；slotfilmholes式之一，在数十年中不断发展。从最初的圆柱型孔改进为现在的异型孔，从单一的气膜冷却孔发展到现在的孔槽结合，国内外学者2010年鞭36麓

6、簟2期V01．36No．2Apr．2010对此进行了大量研究。DanielG．Knostt-】研究了涡轮叶栅通道上游端壁开设槽对下游端壁的气膜冷却问题，指出冷气在叶栅压力面端壁附近脱离壁面，导致该区域的冷却效果很差。W．Colbant2】等研究了涡轮叶栅端壁开设圆柱型孔和扇形孑L模型的气膜冷却问题，表明采用扇形孔提高了端壁总体气膜冷却效率。Gfitschl31等通过试验，研究了不同几何形状射流孑L下游的气膜冷却效率分布规律。刘存良、朱惠人f4】等研究了圆柱型孑L、扇形孑L和收缩扩张孑L对孔下游端壁气膜冷却效率的影响机理。戴萍、林枫嘲用数值计算方法，研究了气膜孔形状对冷却效率的影响。于锦禄等【叼

7、f究了带横向槽的气膜冷却结构对下游平壁的气膜冷却效率问题，指出带横向槽气膜冷却结构具有易于加工和冷却效率高的优点。诸如此类的新型气膜冷却孔优化了冷却结构，增大了气膜冷却效率。本文采用数值计算方法，对5种不同气膜冷却结构的流动及换热进行了模拟，并进行了详细的对比和分析。2数值模拟方法2．1气膜冷却效率与吹风比在对比结果分析中，所采用的主要评价指标为气膜冷却效率田，定义为’7=丝r-rL(1)式中：P