气膜孔局部堵塞对叶片压力面冲击-扰流柱-气膜结构综合冷却效率的影响.pdf

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1、航空学报ActaAeronauticaelAstronauticaSinicaSep252016V01．37No．92729—2738ISSN1000．6893CN11-1929／Vhttp：／／hkxb．buaa．edu．cahkxb@buaa．edu．cn气膜孔局部堵塞对叶片压力面冲击一扰流柱一气膜结构综合冷却效率的影响周君辉，张靖周*南京航空航天大学能源与动力学院，江苏省航空动力系统重点实验室，南京210016摘要：运用数值模拟方法研究了气膜孔局部堵塞对叶片压力面上射流冲击一扰流柱一气膜结构综合冷却效率的影响，重点分析了堵塞位置和堵塞比的影响。研究结果表明：无论是气膜孔内无堵塞

2、还是存在局部堵塞情形，随着吹风比增大，综合冷却效率均呈现逐渐增大的趋势；在低的吹风比下，气膜孑L出口一尾缘局部堵塞的综合冷却效率略低于无堵塞气膜孑L，而在气膜孑L进口一前缘和气膜孑L出El一前缘的局部堵塞则导致综合冷却效率有较为轻微的上升；在高吹风比下，位于气膜孑L出口一前缘和气膜孔进口一前缘的局部堵塞能够抑制气膜射流与主流相互作用所形成的卵形涡，从而冷却效率下降较少，而气膜孔出口一尾缘的局部堵塞则导致综合冷却效率降低较多；堵塞比对壁面沿程综合冷却效率的影响呈现非单调的变化趋势，这是由于冲击一扰流柱一气膜整体式冷却结构的冷却效果取决于内部强化传热和外部气膜防护的多重作用机制。关键词：

3、涡轮叶片；复合冷却结构；局部堵塞；综合冷却效率；数值模拟中图分类号：V23l文献标识码：A文章编号：1000—6893(2016)09—272910高性能航空燃气涡轮发动机的发展对涡轮叶片强化冷却的技术指标提出了越来越苛刻的要求，研究和发展涡轮叶片高效冷却方式，在减少冷却用气量的前提下实现综合冷却效率的提高，已成为发展高性能航空燃气涡轮发动机关键支撑技术之一[1

4、。在燃气涡轮发动机热端部件强化冷却技术发展中，射流冲击一发散和射流冲击一扰流柱一气膜复合冷却结构是目前得到广泛关注的双层壁冷却结构心。8]，同时，特征尺寸已呈现向微小化方向发展的趋势凹‘1⋯，这一特点在典型的双层壁冷却结构中

5、得以体现。冷却结构特征尺寸减小在增强冷却效率的同时也面临更大的堵塞风险。尤其是在实际工程应用中，气膜孔容易受到一些外在因素的影响而形成局部堵塞，譬如，气膜孑L加工缺陷、热障涂层涂覆和外部微细颗粒的侵入沉积等¨]133。Bunk—er[I钉研究了平板气膜孔堵塞对中心线绝热气膜冷却效率影响，结果表明孔内堵塞会造成出口区域气膜冷却效率降低约30％；Na等n朝针对气膜孔局部堵塞的研究表明气膜孔堵塞导致绝热冷却效率呈现显著的下降趋势，热侧对流换热系数呈现增大趋势；Jovanovic等J6。17。的研究揭示出气膜孑L内局部堵塞可能诱导气膜射流与主流相互作用过程中迎风与背风涡的增强，同时他们也发现

6、气膜孔堵塞位置对冷却特性的影响规律是不同的，收稿日期：2015-09—15；退修日期：2015-11-03；录用B期：2016—03-08；网络出版时间：2016—03—2915：37网络出版地址：WWW．cnkinet／kcms／detail／11．1929．V201603291537．010．htmI基金项目：国家自然科学基金(51276090)；江苏省研究生培养创新工程(CXLXl3—166)；中央高校基本科研业务费专项资金*通讯作者．Tel．：025·84895909E-mail：zhangjz@nuaa．edu．cn引用格武I周君辉．张靖周气膜孔局部堵塞对叶片压力面冲击一挽

7、流柱一气膜孔结构综合冷却效率的影响iJj．航空学报．2016-37(9)：2729-2738ZHOUJH，ZHANGJZEffectsofpartialblockageinsidefilmholesonoveraflcoolingeffectivenessof817integratedimpinge一删t-fin-filmcoolingconfigurationonbladepressuresideEJ_7ActaAeronauticaetAstronauticaSinica，2016，37(9)：2729-2738航空学报Sep．252016V01．37No．9孑L内的堵塞在某些情

8、形下甚至能够提高气膜的冷却效果；NasirEl81和Yang[193等针对在气膜孔内部临近出口前缘的位置上附加突片的实验研究表明，突片的存在能够抑制气膜射流的卵形涡对，起到改善气膜冷却效果的作用；Pan等[2们对平板上单排倾斜气膜孔内局部堵塞所引起的冷气射流流动和冷却特性变化进行了数值研究，分析了堵塞比、堵塞位置和吹风比对绝热气膜冷却效率的影响。综上分析，目前针对气膜孔内部局部堵塞效应的研究多集中于平板气膜孔。在涡轮叶片表面，压力面相对吸力面更易形成外部侵