气膜孔孔形对涡轮冷却流场影响的数值研究

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1、第42卷第1期2012年1月航空计算技术AeronauticalComputingTechniqueV01．42No．1Jan．2012气膜孑L孔形对涡轮冷却流场影响的数值研究周莉，韦威，蔡元虎(西北工业大学动力与能源学院，陕西西安710072)摘要：基于有限体积法对三维定常N—S方程进行离散，采用k一占两方程湍流模型。数值研究了气膜孔几何形状对涡轮叶片气膜冷却效果的影响，得到了气膜孔附近的流场分布。所选孔形为圆柱孔和后倾扇形孔。结果表明后倾扇形孔减小射流动量比，减弱射流穿透主流的能力．并产生了一定的展向速度．可使射流冷气能够较好地贴附在壁面上起到保护作用。

2、具有后倾扇形孔的涡轮叶栅沿叶高方向和流线方向体现出了比圆柱形冷却孔更好的冷却效果。关键词：涡轮叶片；气膜孔；圆柱孔；后倾扇形孔；冷却效果中图分类号：V231文献标识码：A文章编号：1671．654X(2012)01．0001．03NumericalInvestigationofInfluenceforCoolingHoleShapeonTurbineFlowfieidZHOULi，WEIWei，CAIYuan—hu(SchoolofPowerandEnergy，NorthwesternPolytechnicalUniversity，Xi’口n710072，C

3、hina)Abstract：Athree—dimensionalsteadyN．Sequationwasdiscretizedbyvolume．controlmethodtosimu．1atetheeffectsofholeshapesoncoolingeffectivenessofturbinebladeincombiningwithtwo—layerk一占turbulencemodel．Acylindricalholeandafanshapedholewithlaid—backwereadopted，andtheflow—fieldneB．Ythecoo

4、lingholeandthebladeisobtained．Theresultsshowthefanshapedholewithlaid—backdecreasestheratioofthemomentumoftheejectionflow，reducesthecapacityoftheejectiontopassthroughthemainflow，andproducesavelocitycomponentalongthespanwisedirection，resultingabetterfilmrecoveryonthebladewall．Thecool

5、ingeffectivenessoftheturbinebladeadoptedbyafanshapedholewithlaid—backissuperiortothebladewithacylindricalholealongthespanwiseandstreamwisedirection．Keywords：turbineblade；coolinghole；cylindricalhole；fanshapedholewithlaid—back；coolingeffee—tiveness引言提高透平进口温度是改善航空发动机性能的重要途径，但却要受到叶片材料耐

6、热性能的限制，在众多的冷却技术中，气膜冷却已成为发动机热端部件的主要冷却方式之一。气膜冷却效果主要受气膜孔的几何结构(包括气膜孔的喷射角度、孔径大小、气膜孔的形状等)、叶片的几何参数和气膜孔的气动参数等因素的影响。气膜孑L几何结构对气膜沿壁面的附着范围及对叶片冷却效果都有很大的影响。掌握不同气膜孔几何结构下的流场特性对涡轮叶片设计起着至关重要的作用。因此针对气膜孔结构的优化一直是重要的研究内容¨-4]。戴萍数值研究了气膜孔几何形状对涡轮叶片气膜冷却效果的影响，所选孑L形为圆柱孔、前向扩张孔及新型月牙孔。结果表明月牙孔在不同吹风比下的冷却效率均高于圆柱孔和前向

7、扩张孔，整体冷却效果最好瞪】。Lu实验研究了月牙形孑L、槽缝形孔、漏斗形孔孔口下游的传热特性，发现月牙形孔和槽缝孔在相邻孔间的气膜覆盖性较好，漏斗形孔在孔口下游的冷却效率较高，沿叶高方向的效率低于其他两种孔形№j。朱惠人等测量了叶片前缘扩张形孑L和圆柱形孔的气膜冷却特性，分析了不同孑L形在不同平均吹风比下气膜冷却效率的局部分布特征及定量变化关系，结果表明与圆柱形孔相比，扩张形孔射流的覆盖面更大，主要覆盖区域的偏移角度更小"1。文献[8]实验研究了5种收稿日期：2011—10-21修订日期：2011一ll一18基金项目：国家自然科学基金项目资助(5090607

8、1)；西北t业大学基础研究基金项目资ll／J(JC2