燃气涡轮叶片传热特性分析ⅱ：涡轮叶片突扩突缩型冷却结构流固耦合传热研究 刘明林

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1、中国工程热物理学会热机气动热力学学术会议论文编号：112008燃气涡轮叶片传热特性分析Ⅱ：涡轮叶片突扩突缩型冷却结构流固耦合传热研究刘明林李涛薛兴旭颜培刚黄洪雁韩万金（哈尔滨工业大学458信箱，推进理论与技术研究所，哈尔滨，150001）（电话：13654668215,E-mail：liuminglin2006@163.com）摘要：本文将经过算例验证的管网程序对突扩突缩的冷却结构进行了初步的改型，将改型后的冷却结构应用到MarkII导向叶片中，通过CFX三维计算对比了两种冷却结构对MarkII叶

2、片的冷却效果，结果显示突扩突缩型冷却结构能够有效的降低叶片的平均温度，而且能够使叶片温度分布更加均匀；通过对突扩突缩型冷却结构内部流体流动特性的分析，说明了这种冷却结构具有良好换热效果好的机理。关键词：涡轮叶片；管网程序；突扩突缩；传热0引言为了提高航空燃气涡轮发动机的推重比，增大涡轮的进口温度是常用的措施之一，但是过高的温度极大地增加了发动机的热负荷，因而采取更为有效的冷却方法显得尤为重要。突扩突缩型的冷却结构可以显著的增强冷却工质与叶片的换热效果，其作用机理相当于环形肋片的扰流作用。目前美国的

3、GE公司已经将突扩突缩的被称为‘竹节孔’的冷却结构成功的应用到涡轮叶片中，研究表明竹节孔这种冷却结构的换热效果远比光滑孔要强，具有高效低阻的特性。GE公司主要是将竹节孔布置在叶片的外围，而且限制了孔径最大处约为1.5mm，显然加工这么微小的竹节孔需要相当成熟的制造技术。本文利用突扩突缩型冷却结构换热效果好的特性，采用现有制造技术容易加工的突扩突缩型冷却结构将其应用到涡轮叶片中，经过三维计算来验证该种冷却结构的传热特性。1改型设计涡轮叶片冷却通道中局部损失系数的大小直接决定了流体压力损失的大小，因而

4、本文改型的目标是在不降低冷却结构换热效果的情况下，使局部损失系数最小，通过下面给出的局部阻力系数计算公式[1]，说明突扩突缩冷却结构的局部损失系数大小与流动速度无关，只取决于管道的几何形状和面积大小，在本例中保持突扩段直径不变，改变突缩段直径来形成多种冷却方案，在给定相同的边界条件的情况下，通过管网程序快速预测各种冷却方案的综合冷却效果，然后选择合理的冷却方案进行三维计算，其中换热系数计算公式采用与阻力系数相关联的四壁带肋方形通道web[2]公式来近似计算。图一突扩突缩冷却通道局部示意图参数说明：

5、突扩管段和突缩管段的局部损失系数分别为、，、分别为突扩突缩型管道中流体的努赛尔数和阻力系数，、分别表示光滑直管道流体的努赛尔数和阻力系数，表征突扩突缩型冷却结构的综合换热效果[3]，计算公式分别为（1）~（4）。、（1）（2）（3）（4）图二突扩突缩型冷却通道综合换热效果随管径比的变化由图二可以看出，当时，突扩突缩型冷却结构的综合换热效果最好，将此改型方案应用到MarkII叶片中，使十根冷却管道都采用管径比为的突扩突缩型冷却结构。2数值计算MarkII叶片[4]原有的冷却结构是十根管径不同的光滑管

6、道，为了研究突扩突缩型冷却结构的换热效果和机理，在给定相同边界条件的情况下，将管网程序初步改型的突扩突缩冷却结构应用到MarkII导向叶片中，经过三维流固耦合计算来对比这两种冷却结构的换热效果。2.1计算模型及网格划分图三MarkII涡轮叶栅几何模型图四MarkII涡轮叶栅计算网格图五MarkII涡轮叶片新型冷却结构图六MarkII涡轮叶片新型冷却结构计算网格2.2边界条件和湍流模型采用考虑转捩流动特性的k-ω-SST-γ-θ湍流模型，这种模型能够准确分辨层流及转捩状态，对边界层内复杂流动和传热过

7、程的模拟较为准确。但其不足之处在于，过高地估计了转捩区域的湍动能而造成转捩区预测过长，从而使得对流换热系数计算值过大，温度偏高。表1MarkII涡轮叶栅主流燃气边界条件实验工况5411进口边界条件进口总压/Pa337097进口总温/K788进口湍流强度/%6.5进口粘性比10进口马赫数0.19进口雷诺数5.6×106出口边界条件出口静压/Pa175713出口马赫数1.04出口雷诺数2.0×106表2MarkII径向冷却通道边界条件几何模型冷却通道直径/mm流量/kg/sTin/K16.30.024

8、632626.30.023731636.30.023832246.30.024732856.30.023330866.30.022830576.30.023831383.10.0077533593.10.00511330101.980.003343542.3结果对比分析图七MarkII原型和改型后中径处叶片表面的温度分布对比图八MarkII原型和改型后中径处叶片表面的换热系数对比符号说明：在图中横坐标是无量纲参数X/L，L为叶片的轴向弦长，以X/L值的正负分别表示叶片吸力面和压力面