多排反向射流角气膜冷却特性研究

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaNov．252013V01．34No．112472．2481ISSN1000-6893CN11-1929／Vhttp：#hkxb．buaa．edu．cnhkxb@buaa．edu．cn多排反向射流角气膜冷却特性研究丁阳1，常海萍1’*，杜治能21．南京航空航天大学能源与动力学院，江苏南京2100162．中航工业沈阳发动机设计研究所，辽宁沈阳110015摘要：借助正交试验对具有多排反向射流角气膜冷却结构的冷却特性进行了研究分析，采用Realizable

2、k-e湍流模型和速度分布两层模型进行模拟计算，研究了横向射流角口、开孑L率F、长宽比S／P以及吹风比M对冷却特性的影响，并分析了其影响机理。研究结果表明：与单排双射流结构相比，多排反向射流角结构虽然涡量分布不对称，但是依靠持续的冷气注入来维持反向涡对，也可以得到理想的冷却效果。在试验参数范围内，对平均冷却效率影响程度由高到低依次为：开孑L率，吹风比，长宽比，横向射流角。对平均对流换热系数影响程度由高到低依次为：吹风比，开孔率，横向射流角，长宽比。综合考虑冷却效率和换热特性，较优的结构与流动参数为口=55。、M=1．2、F=2％

3、、S／P=1．4。关键词：正交试验；冷却；横向射流角；冷却效率；换热系数中图分类号：V231．1文献标识码：A文章编号：1000—6893(2013)11-2472—10燃气涡轮入El温度的不断提高要求对涡轮叶片进行有效地冷却，气膜冷却是一种被广泛采用的有效冷却技术。在众多的气膜冷却方案中，离散孔全气膜冷却是一种冷却效率接近发散冷却而又不存在发散冷却易堵塞缺点的高效冷却方式。研究人员口。71对影响离散孔全气膜冷却效率的相关因素，如吹风比、开孔率、排距比、孔与壁面的倾角以及与主流横向偏角，都做过详细研究。其中大多数文献对孑L与主

4、流的横向偏角只做过单一偏转方向的研究，不同偏转方向的研究则相对少见。文献[83最早提出了双射流结构，通过前后横向射流角相反的两股射流在主流近壁处产生反肾形涡对，使冷气射流始终保持与壁面接触，将冷气射流推向壁面并横向分散，有非常优异的冷却效果。文献[9]和文献[10]数值模拟了双射流流场结构，在中高吹风比下产生了几乎对称的反肾形涡，并将双射流结构代替原有的成型孑L结构用于L20A燃机[1妇的涡轮吸力侧，通过测量发现改用双射流结构对涡轮热负荷无负面影响。文献[12]发现将两孔沿中心线错开一小段距离可以构建更加对称的反肾形涡。但是在

5、高吹风比下主流被夹带到近壁处，影响了冷却效率的提升。文献[13]研究了高吹风比下横向射流角的影响。文献[14]研究了孑L型的改变对双射流气膜冷却效率的影响。以上研究都是基于单排孔的基础研究。本文研究内容结合了离散全气膜结构与双射流结构的特点，开展了多排具有反向射流角气膜冷却结构的研究，借助正交试验研究了不同结构参数与流动参数对冷却特性的影响，为离散全气膜冷却结构的改进与优化提供一定的参考。收稿日期：2013-0I-08；退修日期：2013-02-20；录用日期：2013·04·02；网络出版时间：2013-04-2708：22

6、网络出版地址：www．cnkinet／kcms／detail／11．1929．V．20130427．0822．002．html基金项目：省部级项目*通讯作者．Tel．：025-84892201—2312E-mail：chppe@nuaa．edu．cFi戳用箍武lDingy，ChangHP．DuZN．Investigationoncharacteristicsofmultiplerowsofoppositelateralejectionanglefilmcooling?A吾taAeronauticaetAsfronauticaS

7、inica，2013。34(11)：2472-2481T阳。常海萍．杜诒能．多排反向射流角气摸冷却特性研究．航空学报．2013．34(11)：2472—2481．丁阳等：多排反向射流角气膜冷却特性研究1模型建立图1为所研究模型，沿流向布置了5个气膜孔来模拟多排结构，流动方向相邻孔之间横向射流角角度相反，气膜孔直径d一5mm，气膜孔长径比为3。图中：口为横向射流角；口为流向倾角，所有模型流向倾角均为30。；S为气膜孔流向间距；P为气膜孔展向间距。rallconfigurations图l气膜冷却孔开孔方式Fig．1Arrangem

8、entoffilmcoolingholes1．1模型参数选取影响离散孔全气膜冷却效率的相关因素有吹风比、开孔率、排距比及横向射流角，将这些影响因素全部考虑，每个因素尽量多的取值。本文试验安排选用了I嗡(56)正交表，根据此表可以安排最多6个因素，每个因素5个水平的试验。通过对