复合冷却涡轮导叶的气热耦合数值模拟.pdf

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1、第14卷第5期2014年2月科学技术与工程Vo1．14No．5Feb．20141671—1815f2014)05—0292-06ScienceTechnologyandEngineering⑥2014Sci．Tech．Engrg．航空航天复合冷却涡轮导叶的气热耦合数值模拟邵婧李杰吴伟亮(上海交通大学叶轮机械研究所，上海200240；中航商用航空发动机有限责任公司，上海201108)摘要采用气热耦合方法对高压涡轮一级导叶带全气膜冷却、冲击冷却和尾缘劈缝冷却的复合冷却结构进行了数值模拟。分析了带复合冷却结构叶片的三维温度场，主要研究了主流燃气雷诺数、冷气与燃气的流量比和燃气与冷气的温

2、比对叶片温度和冷却效果的影响。结果表明：随着流量比增大，叶片前缘壁面平均温度先增后减，压力面和吸力面温度均减小。叶片壁面各处平均温度随温比增大而降低，受雷诺数影响很小。叶片综合冷却效果随流量比增大而增大，受温比和雷诺数影响很小。关键词涡轮叶片复合冷却数值模拟气热耦合冷却效果中图法分类号V231．1；文献标志码A为了提高推重比和燃油效率，现代航空燃气涡以往的气热耦合数值模拟主要针对局部复合冷轮发动机不断提高涡轮的进口温度，当前涡轮温度却结构以及简化后的冷却结构进行研究，本文在以已经远超出材料的温度极限，为了保证叶片在高温往研究的基础上，采取了更接近真实的涡轮叶片进下的正常工作和提高

3、涡轮寿命，必须采用先进的冷行分析，对某型涡轮高压一级导叶进行流固热耦合却技术来降低叶片温度⋯。目前单一的冷却技术数值模拟，其中叶片冷却结构包括外部气膜冷却、内已经不能满足涡轮冷却需求，在航空燃气涡轮设计部冲击冷却和尾缘劈缝冷却。本文分析了带复合冷中普遍采用复合冷却技术来保护热端部件。却结构叶片的流动和温度分布，主要研究了主流燃在燃气涡轮发动机设计中，准确地估算叶片温气雷诺数(舶)、冷气与燃气的流量比(Kc)、燃气与度对于估计叶片寿命至关重要。目前对叶片温度的冷气的温比()，三种因素对叶片温度和冷却效果估算主要通过实验和数值计算手段实现，实验方法的影响。可靠性高，但是周期长、代价高

4、，随着计算流体力学的发展，气热耦合数值模拟技术因为低成本和较高1数值计算方法的准确性逐渐成为辅助涡轮叶片冷却设计的重要1．1计算模型及网格划分工具'。本文的模型为某型涡轮高压一级导叶，其冷却近年来，一些国内外学者采用气热耦合方法对结构如图1(a)所示，叶片为直叶片，叶身内部分前、带复合冷却结构的叶片做了初步研究。朱延鑫后两腔，腔内安装有带冲击冷却孔的冲击冷气导管，等针对导向叶片前缘冲击+扰流元+气膜出流其中前腔有13排冲击孔，后腔有12排冲击孔；叶身的复合冷却结构开展数值模拟，分析了扰流元、气膜的前缘、叶盆侧和叶背侧的靠近前缘区共排布了11出流方式对流动和换热效果的影响。周建兴等

5、排气膜孔，其中位于前缘区的第3～6排气膜孔呈对涡轮叶片尾缘冷却结构进行了数值计算，该冷却45。径向角度，其余气膜孔径向角度均为0。；尾缘采结构由横肋通道和交错扰流柱排构成，研究了进气用半劈缝冷却结构。雷诺数对换热系数的影响。Mazur等对Fsx414本文采用ICEMCFD软件划分网格，计算网格叶片进行了气热耦合数值模拟，该冷却结构包括两由主流流道、固体叶片、气膜孔、冲击衬套、冲击孔和个独立内腔，内部嵌套冲击冷却插件，外部全气膜冷内部冷气通道组成。由于结构复杂，很难实现全结却和尾缘冷却，主要研究了在实际进口温度分布条构化网格处理，因此冲击衬套和固体叶片之间的区件下叶片的速度场和温度

6、分布。域、后腔冷气流通道和叶片固体域采用非结构化网2013年9月10日收到，1O月8日修改格，其他流域均采用结构化网格，在不同流域以及固第一作者简介：邵婧，女。上海交通大学叶轮机械研究所硕士研体域之间采用交界面连接，并对流固交界面区域究生。研究方向：动力工程。E—mail：sjing8905@grnail．tom。(叶片壁面，流域上下端壁，孔内壁)网格进行加密，保证Y+在1左右，总网格数量约为1200万，保证5期邵婧，等：复合冷却涡轮导叶的气热耦合数值模拟295吸力面向尾缘出气边流动时，经历了层流边界层，转显著。捩过渡区到湍流边界层。吸力面前缘区域覆盖的气膜为层流边界层，边界层较

7、薄，随着冷气流量增大，气膜孔射出的冷气流速度增大，扰乱了前缘气流流动，燃气与壁面表面换热增强，导致前缘处温度升高。当冷气流量进一步增大，冷气能较好地在壁面堇表面形成一层气膜，从而前缘壁面温度降低。图8给出了不同流量比下的叶片综合冷却效果。可以看到，叶片的综合冷却效果随着流量比的增大呈上升趋势，在小流量比下增长速度较快。这是因为小流量比条件下，出流的冷气量较少，冷气覆pressureX／Lsuction盖范围较小，这时增大冷气量可以增加气膜的覆盖图9不同温比下的叶片表面平均温度范围