旋转状态下叶片前缘冲击加气膜复合换热效果的实验研究

admin · 发表于 2023-10-18 16:00:20

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摘要在现代航空发动机涡轮叶片冷却结构的设计中，为了达到较高的冷却效果，多采用内外结合的冷却结构，目前冲击冷却加气膜出流的复合结构被认为是最高效的冷却形式。在叶片前缘由于驻点的存在，外部换热异常强烈，因此在前缘腔普遍采用了冲击加气膜的复合冷却结构。本文从中提取了最小的结构单元，根据实验条件，在不改变流动结构的前提下进行了相应的简化。通过实验与数值模拟相结合的方法，对前缘腔内的流动与换热特性进行了详细的研究。首先，在旋转非惯性坐标系下，对旋转腔内的流动与换热进行了理论分析；并在相似理论的指导下，对控制方程进行无量纲分析，得到影响腔内流动换热的主要因素。然后参考实际发动机的工作状态参数，确定具体研究内容。对旋转换热实验台及实验过程进行了改进，提高了实验效率。采用液晶示温瞬态实验方法，对冲击气膜复合冷却结构的流动换热特性开展了详细的实验研究。实验结果表明：在冲击气膜复合换热结构中，冲击换热起主导作用，气膜孔的存在破坏了边界层，增强了换热效果；雷诺数是影响复合换热强弱的主要因素，随着雷诺数的升高换热增强。旋转对复合换热效果有很大影响，哥氏力是使换热减弱的重要因素。在时，哥氏力的作用增加了射流的扩散率；在和时，哥氏力的作用使得射流发生弯曲，冲击滞止点发生偏移。随着旋转数的升高，冲击滞止点处的Nu数和冲击面平均Nu数下降较为明显，而吸力面和压力面的平均换热变化并不大，但换热分布发生了较大改变。同时，在实验研究的基础上运用CFD软件从实验工况和真实工况两个方面进行了详细的数值模拟，从流动结构上对实验现象进行了机理分析。结果表明：实验工况下，在时，射流的扩散率随旋转数的升高而增强，导致滞止区换热下降，上下半区的漩涡变化不明显；在和时，背离射流弯曲方向的漩涡失稳和破裂，造成上下半区换热不均衡。真实工况下，浮升力的影响不可忽略。在同一旋转数下，模型平均换热随浮力数的升高而有所增强。浮升力的作用加强和稳固了上半区的漩涡，而下半区的漩涡逐渐缩小和脱落，并形成了一个新的涡。在较大浮力数的工况下，模型上半区的换热好于下半区。

旋转状态下叶片前缘冲击加气膜复合换热效果的实验研究

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