旋转状态下涡轮叶片中部气膜冷却特性研究

admin · 发表于 2023-10-13 12:17:44

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气膜冷却技术已经广泛用于先进航空发动机涡轮叶片的冷却。气膜冷却技术有效降低了涡轮叶片表面温度和热应力，为高推重比、高可靠性、高安全性以及低油耗的航空发动机研发作出了贡献。从气膜冷却技术发展来看，可查阅气膜冷却技术文献主要集中在静止平板模型、叶片模型或平面叶栅模型，以及旋转平板模型，有关整级涡轮叶片旋转状态下的气膜冷却实验研究非常少。为了更清楚地认识航空发动机整级涡轮叶片的气膜冷却特性，本文将用理论分析、实验研究和数值计算的方法开展相关研究工作，分析旋转数、吹风比、雷诺数，并进一步分析旋转状态下离心力和哥氏力的作用机理。首先，对旋转状态下气膜冷却控制方程进行理论分析，分析得到旋转坐标系下无量纲化控制方程。通过无量纲方程得到影响气膜冷却效果的主要参数，以及旋转附加力的影响以及各无量纲准则数的关系式。旋转状态下，压力面上沿叶片展向受朝向高半径的离心力和朝向低半径的哥氏力作用，而吸力面上两个力均朝向高半径方向。其次，进行了1.5级涡轮叶片旋转状态下的气膜冷却实验，得到叶片表面的绝热壁温和气膜冷却效率分布。结果表明，在压力面上气膜覆盖面积和效率与吹风比成正比、与旋转数成反比。旋转气膜轨迹向高半径方向偏转，且偏转程度与吹风比成反比、与旋转数成正比。在吸力面上气膜覆盖面积和效率随吹风比的增大先增加后减小；随雷诺数的增大而增加。气膜轨迹轻微地向低半径方向偏转，增大吹风比，气膜偏转程度减弱；旋转数和雷诺数对气膜偏转程度的作用不明显。再次，在实验的基础上利用数值计算方法分析了附加力项对气膜冷却特性的影响。结果表明，压力面的气膜冷却效果主要由离心力附加项影响，离心力使气膜轨迹向高半径偏转。同时，哥氏力，以及离心力导致的涡都会使气膜覆盖范围减小。吸力面的气膜冷却效果主要受哥氏力和离心力造成的通道涡的共同作用，哥氏力使气膜轨迹向高半径偏转，而通道涡使气膜轨迹向低半径偏转。哥氏力会加强气膜附壁，增加吸力面的气膜覆盖范围，然而离心力导致的涡都会使气膜覆盖范围减少。

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