基于“涡冷”原理叶片尾缘强化冷却数值研究.pdfVIP

中国工程热物理学会 传热传质学 学术会议论文 编号：083542 基于基于 “涡冷“涡冷”原理的叶片尾缘强化冷却”原理的叶片尾缘强化冷却 基于基于 ““涡冷涡冷””原理的叶片尾缘强化冷却原理的叶片尾缘强化冷却 数值研究数值研究 数值研究数值研究 贾琳妍，张净玉 （南京航空航天大学能源与动力学院，江苏南京,210016） Tel E－mail ：linyan_jia @ 摘要：“涡冷”是针对涡轮叶片尾缘内冷提出的极有应用前景的一种冷却新概念。采用数值计算分析了 “涡冷”强化换热机理，与传统冲击冷却进行了对比，显示相同条件下 “涡冷”冷却换热效果优于冲击 冷却。同时研究了冲击孔径、冲击雷诺数等对冷却腔换热的影响规律。研究结果对进一步开展 “涡冷” 换热特性研究具有一定的指导意义。 关键词::涡轮叶片冷却 尾缘 涡冷 强化换热 冲击冷却 :: 0 前言 提高涡轮前温度是提高发动机推重比性能的一种有效技术途径，近几十年来国外发 动机推重比呈不断提高的趋势，涡轮前温度也随之不断地提高。因而针对发动机涡轮叶片 的强化换热技术研究成了提高发动机推重比的主要技术支撑。涡轮叶片尾缘的工作环境有 一定特殊性：(1)高的热负荷，除前缘外，尾缘处的热负荷比叶片其它部位均高；(2)空间 的限制，与前缘和弦中区相比，尾缘的内冷空间小；(3)冷却手段的局限性，尾缝已靠近 叶片边缘，在尾缝处大量使用气膜冷却，气膜只能保护尾缘很短的一段，效果是不理想的。 上世纪九十年代末，一些学者针对叶片尾缘，提出了一种基于 “涡冷”（Vortex Cooling） 原理的冷却新结构，并进行了一些有意义的研究工作。涡轮叶片尾缘内部通常由 2～3 个 腔体组成，冷却气流由根部进入第一腔，进行强迫对流换热；再通过小孔冲击到第二腔、 最后一腔，最后冷气从尾缝形成气膜排出。冷气由一腔冲击进入另一腔时，一般是垂直正 对冲击到腔体壁面 （如图1.1a）。而“涡冷”即类似冲击结构，又有别于此：冷气是沿切 向冲击进入腔体的 （如图1.1b）,气流在腔体中可以形成强烈、稳定的涡旋流，强化换热。 此外 “涡冷”在结构上还有两个优势：(1)相对已有的涡轮叶片尾缘内冷通道结构，改变 不大，极有希望在短期内实现工程应用；(2)发动机旋转产生的离心力增强内冷通道内流 体的径向流动，使涡流更强烈而稳定。图1.2是将 “涡冷”技术应用于涡轮叶片尾缘内冷 [1] 的结构设想图 。 图 1.1 冲击进气和 “涡冷”进气结构对比 图1.2 “涡冷”应用于尾缘冷却结构设想 本文采用 Fluent 流体计算软件，对“涡冷”冷却和冲击冷却进行数值模拟，研究其 流动、换热特性，并且对两者进行对比，并且分析了两者换热效果。 2 问题描述 2.1 几何模型 如图 2.1 、2.2 所示，涡冷”冷却模型与冲击冷却模型腔体同为：长 L428.6mm,直径D 为 25.4mm,喷嘴长 l 为 25.4mm,为了分析比较喷嘴直径对换热效果的影响，在其它条件不 变的情况下，喷嘴直径 d分别为 5.4mm、6.4mm、 7.4mm。 Outlet Outlet X X