涡轮导向器叶栅端壁气膜冷却的换热特性研究

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雅宝题库解析：
在现代高性能航空发动机设计中，涡轮导叶端壁的冷却题目逐渐引起了人们的关注。端壁附近强烈的三维流动，如通道涡和马蹄涡等二次流现象,使得这一区域的气膜冷却难以有效实施。经研究发现，采用叶栅前缘上游端壁或叶珊通道内开设多排气膜孔，并以较高的吹风比喷射冷气的这种气膜冷却方式不但可以对整个端壁实现较好的冷却，而且能够有效地抑制通道二次流的形成和发展。利用数值模拟的方法，研究了4倍放大模型跨音涡轮的导叶端壁流动与换热。描述了导叶端壁二次流结构，其中前缘马蹄涡及分支、通道跨流是二次流最主要的内容。而且二次流受到主流压缩波的影响。进一步研究了进口Re数和出口Ma数下对导叶端壁的流动和换热的影响，发现涡轮进口Re数增大，端壁换热增强；出口Ma数增大，端壁换热减弱。在了解端壁流动与换热的基础上，对端壁强换热区域进行了冷却研究。发现气膜孔布置需要充分考虑端壁二次流结构和发动机的工况，这样才会形成好的贴壁气膜。针对一种改进的导叶端壁全气膜孔布置，对比了不同进口吹风比情况下的气膜冷却效果，验证了当前涡轮气膜孔布置的合理性。端壁区域最佳的进口吹风比：前缘M=1.0，尾缘M=4.0。本文还对低速下的放大模型进行了瞬态实验设计。利用一种新的半无限大瞬态实验方法：“线性初始温度法”，得到了低速状态下，导叶端壁流动和换热特性，拟合了强换热区域的准则关系。对比不同进口吹风比情况下，导叶端壁全气膜冷却的换热系数分布，与数值计算结果对比，对于端壁全气膜冷却的工程设计给出合理的建议。