新型尾缘涡冷冲击结构流动换热特性分析研究.pdf

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1、新型尾缘涡冷一冲击结构流动换热特性分析研究万发君，张丽，栾永先，宋伟。(1．西北工业大学动力与能源学院，陕西西安710072；2．中航工业沈阳发动机设计研究所，辽宁沈阳110015)FlowandHeatTransferinaNewConfigurationofVortex——impingementforTrailingEdgeCoolingWANFa—jun，ZHANGLi，LUANYong—xian，SONGWei(1．SchoolofPowerandEnergy，NorthwesternPolytechnicalUniversity，X

2、i’an710072，China；2．AVICShenyangEngineDesignandResearchInstitute，Shenyang110015，China)摘要：设计了一种新型尾缘结构。通过采用双涡轮前温度均在1800K以上。在现阶段，由于性重涡冷双重冲击的方法，最大限度地利用冷却气流，能限制，许多新的耐温材料尚无法广泛应用到航空提高整个尾缘的换热能力。在优化圆形截面通道结发动机中，如何在现有材料的基础上，提高涡轮叶片构过程中，试着通过改变通道横截面积来减少压力的冷却效率就显得十分重要。在整个涡轮叶片中，损失，通过几种方案比较，

3、认为只扩大出口面积效果由于几何尺寸的局限，尾缘部分的冷却问题相对棘最佳。手，好多航空发动机故障是由于涡轮叶片尾缘部分关键词：涡轮；叶片尾缘；涡冷；冲击；换热；压力因高温断裂引起的，因此，加大对尾缘冷却的研究十损失；综合冷效分必要。中图分类号：V231．1国内外很多专家学者已经对尾缘的结构进行过文献标识码：A相对详细的研究。但是大多数研究都是基于扰流柱文章编号：i001—2257(2014)04—0020—04冷却结构[1]。同样一种方式，不论怎样优化，还是Abstract：Anewtrailingedgewasdesigned．By无法形成质

4、变。只要扰流柱这种冷却方式不变，那double—-impingementandvortexcoolingconfigu--么尾缘气流换热的效率就不会有较大的改变。而ration，usecoolingfluidfarthesttoimprovetheLiuJ等[8对三重冲击结构进行了研究，认为三重冲heattransferofthewholetrailingedge．Inthe击使得冷气充分对流，在定雷诺数下，换热效果较传processofoptimizingthecirclepassageconfigura—统结构有较大提高。因此，有必要将涡

5、冷和冲击结tion，thecrosssectionareaofthepassagewasvar—构重新设计并融合，与传统扰流柱结构在流动与换iedtoreducepressurelOSS．Comparedwithsome热方面进行对比，并对涡冷一冲击结构的流动换热特cases，theoneonlyenlargedtheareaofexitper—性进行研究。formedbest．1计算模型Keywords：turbine；trailingedge；vortexcool—1．1物理模型ing；impingement；heattransfer；p

6、ressureloss；o—verallcoolingefficiency为了实现纵涡和冲击冷却的效果，需要设计出一种不同于现在主流的内流通道结构。为此，对尾缘冷却结构进行了改进，不再采用扰流柱结构，而是O引言增加交错的通道，增加气流冲击换热的面积，后段采取收缩结构，增加冷气出流速度，增强换热。随着航空技术的发展，航空发动机已朝着安全涡冷一冲击尾缘的整体结构如图1所示，分别为高效的方向迅猛前进。当今世界高性能航空发动机外形和内腔。具体的流动方式如图2所示。冷气由收稿日期：2013—12—17进气腔进入入口冲击通道，气流高速进入冲击腔1，·2O

7、·《机械与电子22014(4)更加密切，因此，只对流体域网格进行无关性验证。使用ICEM软件进行网格绘制，分别绘制了103万、160万、350万、500万以及780万的流体域网格进行对比。经过计算，发现103万与160万网格的计图1涡冷一冲击结构(外形及内腔)算结果误差较大，而350万以上的3种网格计算结果的对应变量最大误差小于19，6，因此，使用350万网格进行数值模拟。进胜冲击腔1冲击腔2出流渐缩通道1．4边界条件在冷气的进口处给定完全气体质量流量、温度、流向及湍流度，并假定进口参数均匀分布，冷气温度为875K，出口背压为20atm。固体

8、壁面给第三类边界条件：壁温为1800K，与主流间对流换热系图2涡冷一冲击结构(内腔分布)对壁面进行冲击冷却。冲击腔设计成圆形结构，这数h=4000W／(m·K)，材