交叉扭转椭圆气膜孔冷却机理研究

为改善高温叶片表面气膜冷却覆盖效果和提高气膜冷却效率,从抑制孔内喷射效应和流动分离出发,基于交叉扭转椭圆冷却通道内的反肾形涡涡系结构,提出了一种交叉扭转椭圆气膜孔。采用三维定常数值分析方法,对比研究了圆柱形气膜孔和交叉扭转椭圆气膜孔孔内流动结构、出口下游流场、温度场和气膜冷却效率,分析了不同吹风比下,气膜孔截面的交叉扭转对冷却特性的影响。结果表明:圆柱形气膜孔在孔内产生明显的喷射效应,冷气沿上风壁流动,并在出流后与主流相互作用形成较强肾形涡,使冷气抬离壁面,造成冷却效率降低;交叉扭转椭圆气膜孔对孔内喷射效应有较好的抑制作用,使气膜出流后能更好的贴附壁面,同时孔内产生的反肾形涡对出口下游肾形涡有一定的削减作用,从而进一步提高了冷却效率。其中,高吹风比下交叉扭转椭圆气膜孔对冷却效率的提升效果比低吹风比下显著;并且所有吹风比下,交叉扭转椭圆气膜孔总压损失均低于圆柱气膜孔。

交叉扭转椭圆冷却通道流动和换热研究

本文基于场协同理论,提出了一种可用于燃气透平叶片内部冷却的交叉扭转椭圆形截面内部冷却通道,其基本原理在于通过椭圆形截面通道的交叉扭转,能够实现纵向二次涡的产生,从而强化透平叶片的内部冷却。结合Fluent软件,对该通道内的流动阻力和换热特性进行了计算,并在此基础上分析了交叉扭转角度和长短轴长度比对通道内部流动和换热特性的影响。结果表明:交叉扭转椭圆截面通道使内部冷却显著强化,而流阻增加较少,计算工况下同功耗下的强化换热指标可达1.5;通道的最佳扭转角度范围宽广,实际应用中交叉扭转角度可以在45°~90°之间灵活选取;通道截面的最佳长短轴长度比为1.3~1.5。

交叉扭转椭圆前缘冲击腔抑制横流及强化换热机理研究

为强化高温叶片前缘内部冲击冷却,提高换热系数,从抑制前缘冲击冷却横流、减小横流对下游冲击射流的阻挡作用出发,基于交叉扭转椭圆冷却通道内的多纵向涡涡系结构,提出了一种交叉扭转椭圆前缘冲击腔,将横流转换为中心方向与冲击射流方向相同的纵向涡。采用三维定常数值分析方法,对比研究了半椭圆柱形前缘冲击腔和交叉扭转椭圆冲击腔的流动结构和换热特性。结果表明:半椭圆柱形前缘冲击腔内冲击冷却效果受横流影响严重,下游换热效果恶化;交叉扭转椭圆冲击腔对横流有较好的抑制作用,强化了冲击冷却换热效果。随横流比增大,交叉扭转椭圆冲击腔抑制横流和强化换热效果增强。