涡轮叶片内冷结构对外部气膜冷却特性的影响研究

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1、学校代码10699分类号V211.3密级学号2010100457题目涡轮叶片内冷结构对外部气膜冷却特性的影响研究作者骆剑霞学科、专业航空宇航科学与技术指导教师朱惠人申请学位日期二零一四年十一月西北工业大学博士学位论文（学位研究生）题目：涡轮叶片内冷结构对外部气膜冷却特性的影响研究作者：骆剑霞学科专业：航空宇航科学与技术指导教师：朱惠人2014年11月Title:ResearchofExternalFilmCoolingPerformanceofTurbineBladewithDifferentInternalC

2、oolingStructuresByLuoJian-xiaUndertheSupervisionofProfessorZhuHui-renADissertationSubmittedtoNorthwesternPolytechnicalUniversityInpartialfulfillmentoftherequirementForthedegreeofDoctorofAeronauticalandAstronauticalScienceandTechnologyXi’anP.R.ChinaNovember20

3、14摘要摘要现代高温燃气涡轮叶片常用的冷却结构为内外复合冷却结构。冷却气体在叶片内部通道流动吸热后从气膜孔喷出实施气膜冷却，因此叶片内部结构对外部气膜冷却有着重要的影响。但是，由于内、外部流动换热机理有很大差别，因此，到目前为止，这两部分的流动换热特性多是分开单独进行研究的。近年来，随着设计要求的不断提高，进行叶片冷却结构精细化设计已成为趋势，必须了解在不同内部冷却结构下的气膜冷却特性，以便于在涡轮叶片设计中进行准确的热分析。为了研究内冷结构对外部气膜冷却特性的影响，本文分别建立了有内冷结构影响的气膜冷却特性实

4、验系统和无内冷结构影响的气膜冷却特性实验系统。对于各实验结构，建立了相应的数值模拟计算模型，分析了各结构下的流动机理。关于内冷结构影响，文中主要分析了光滑内冷通道内部横流、带肋内冷通道内部肋角度与内部肋位置三方面因素。关于光滑内冷通道内部横流的影响，文中主要对比分析了光滑横流通道结构与无内冷影响的大腔进气结构。研究表明光滑内冷通道内部横流影响下气流流动结构与大腔进气结构有明显不同：在气膜孔进口，部分内部气流会在冲击气膜孔壁面后向下流出气膜孔，使得气膜孔进口面积相对减小；在气膜孔内部，流线呈螺旋状分布，其中贴壁处

5、螺旋线的螺距较大，中间的螺距较小；气膜孔出口，由于气流螺旋状流动，会形成出口堵塞，并且使得气膜孔出口射流分成两股；在气膜孔下游，两股射流各自形成一组对转涡，对气膜冷却效率与换热系数分布产生较大影响。实验结果显示：小吹风比下，横流越强，冷却效率越低，大吹风比下，横流越强，冷却效率越高；对于换热系数，横流越强，换热系数越高；另外，内部有横流条件下，气流需克服自身动量旋转一定的角度流入气膜孔，在这一过程中出现较大的流动损失，流量系数减小，横流越强，气膜孔流量系数越小。关于带肋内冷通道内部肋角度的影响，文中主要对比分析

6、了135°肋横流通道结构与45°肋横流通道结构。研究表明，肋结构的存在，使得通道内部气流发生强烈的二次旋流，不同的肋角度则导致了不同的二次旋流旋转方向：在135°肋通道中通道上部分旋涡顺时针方向旋转，与气膜孔倾斜方向相近，使得气流较易流入气膜孔；而45°肋结构中，通道上部分旋涡逆时针方向旋转，与气膜孔倾斜方向相反，气流更难流入气膜孔。内部旋流影响了气膜孔进口速度分布，135°肋结构中法向速度高速区位于进口左侧，右侧则出现负值区域，而45°肋结构正好相反。不同的进口速度分布导致了不同的孔内流动结构与出口射流结构：

7、135°肋结构下，小吹风比下孔内流线为直线并且出口射流也只有一股，大吹风比下孔内出现部分螺旋线同时出口射流略微分开成两股；45°肋结构下，孔内为螺旋状流线，类似于光滑横流通道结构，出口速度分布与出口射流结构也I西北工业大学博士学位论文比较类似。不同的肋角度下出口射流结构不同，影响了对应的耦合涡结构，导致了不同的气膜冷却效率与换热系数分布。实验结果显示：对于基础圆柱孔型，小吹风比下135°肋结构下冷却效率最高，大吹风比下两种肋结构的冷却效率均低于光滑横流通道结构，对于带展向偏角的圆柱孔型，在各吹风比下45°肋结构

8、的气膜冷却效率均为最高；关于换热系数，两种气膜孔型下均表现为135°肋结构下的换热系数较低，45°肋结构下的换热系数较高；关于气膜孔流量系数，135°肋结构下流量系数最高，45°肋结构下流量系数最低。关于带肋内冷通道内部肋位置的影响，文中主要对比分析孔在肋后，孔在肋中和孔在肋前三种结构。随着气膜孔与肋位置相对向后移动，从靠近前一个肋（孔在肋后）到靠近后一个肋（孔在肋前），进入气膜孔的气