实验研究层板结构对端壁冷却的影响

本文在主-冷流温比(TR)大于2.0的情况下,利用红外热像技术研究了多孔层板给导叶端壁带来的温降与综合冷却效率分布,并探讨了冷-热流质量流量比(MFR)和TR的影响。通过实验结果比较可以发现:1)利用层板取代金属实心端壁,可以加强端壁导热作用,层板内的冷气作用可进一步降低端壁表面温度,尤其是吸力面附近,但在压力面根部,层板内冷气作用非常弱,材料导热占比反而较大;2)综合冷却效率随着冷-热流质量流量比(MFR)的提高而提高,且在相同MFR下,随着TR的提高而上升;3)当MFR较小时,综合冷却效率对MFR和TR更为敏感。

一种降低端壁温度的离散气膜孔布置

本文利用端壁表面耦合传热温度分布作为设计依据,提出了一种可以降低端壁表面整体温度、强化前缘与压力面根部冷却效果的离散气膜孔布局。在主流温度T_∞=200℃和冷热气流质量流量比MFR=1.0%的工况下,实验比较了这种离散气膜孔布局与顺排布局对端壁冷却带来的影响,可以发现:1)二次流导致顺排气膜孔布局并不能获得均匀的端壁表面温度分布;2)在相同孔数下,对压力侧根部使用小径向角孔及孔加密,前缘吸力侧进行孔加密和使用对冲孔,以及其他区域均匀布孔,可以使端壁表面温度分布更加均匀、温降更大;3)较顺排布局而言,离散布局使得端壁吸力侧前缘和压力侧根部冷却效果分别提高了36.4%和32.7%,即使在最小温降区域,其冷却效果也提高了10%左右.

改善局部难冷区域的一种导叶层板端壁

受二次流的影响,气膜冷却端壁表面存在大量难冷区域。紧凑型层板结构可以实现端壁的双侧冷却,从而缩小难冷面积。本文通过改变气膜孔布局,设计了一种可以有效改善局部难冷区域的层板冷却端壁。在主冷流温比1.5下,测量了端壁表面的温降特性和综合冷却效率分布,通过与均匀气膜布局的层板端壁相比较,发现:采用改进后的层板结构,可以显著降低端壁表面温度,缩小难冷区域面积,获得更均匀的冷却效果。且压力侧根部区域与吸力面前缘区域冷却效果增幅尤甚。另外,此层板的改进优势随着质量流量比的增加变得更明显。