主流进气角度对平板气膜冷却效率的实验研究及数值分析.pdf

CSAA03一PT一08 主流进气角度对平板气膜冷却效率的实验 研究及数值分析 蒋雪辉，周嗣京，俞镔，赵晓路 (中国科学院工程热物理研究所北京100010电话：010 摘要：作为研究涡轮一级动叶气膜冷却的一部分，本文对进气角度对平板气膜冷却效率的影响进行了实验 研究，并用数值计算的方法对实验结果进行了分析，得到了一些有规律性的结论，为涡轮一级动叶的气膜 冷却设计如何借鉴平板的气膜冷却实验结果提供了参考依据。 关键词：主流进气角；气膜冷却；平板实验；数值模拟；一级动叶 符号说明 u：速度rigs P：密度kg／m3 B：吹风比B=P2U2／PoUo T：温度 K n： 气膜绝热效率 n=To一1√To—Tz 上标 1．12：温度测试点编号 下标 0：主流气体 2：二次气体 s：绝热壁面 一、刖舌 由于航空燃气轮机燃烧室的出口温度不断提高，高压涡轮的第一级动叶也采用气膜冷却 的方法来降低叶片表面的温度…。平板气膜冷却实验是研究气膜冷却的基础，在平板气膜冷 却的实验中取得的一些有规律性的研究成果已经被应用到高压涡轮的第一级静叶上“1。大部 分涡轮的一级静叶的进气角接近于90度，和平板气膜冷却实验主流气体的来流方向一致， 但是涡轮一级动叶的进气角度却远离90度，根据参考文献[1]，在动叶的压力面和吸力面都 要开气膜冷却孔，这样相对于吸力面，动叶压力面的气膜冷却孔周围将更多的直接受到主流 气体的冲击，这必然对气膜的冷却效率产生影响。当然也可以通过改变二次气流进气方向的 方法来研究主流和二次流交角的变化对气膜冷却的影响”1，但是这却往往容易忽略主流气体 在乎板下部形成的分离流动对气膜冷却的影响。同时，由于动叶前面存在着静叶，动叶的气 膜冷却还将受到主流的湍流度和动、静叶间非定常效果的影响““…，这不是本文研究的内容， 有关这方面的工作，将在以后的文章中探讨。本文主要的工作，就是用实验的方法，研究了 55 90度进气角的平板气膜冷却效率和35度进气角的平板气膜冷却效率，将两个实验方案的实 验结果进行了对比，并用数值分析的方法研究了两个实验方案气膜冷却孔周围的流场，对两 个实验方案的实验结果给出了合理的解释。 二、实验台，实验件和测试仪器 本文的所有实验都是在中国科学院工程热物理所的跨音速平面叶栅实验台上完成的，有 关实验台的详细情况见参考文献[6]。实验系统简图见图一，主气流由鼓风机提供，经过进 口截止阀、快速阀、调节阀、进气管道、稳压箱、收缩喷管、平直段，进入实验段，可以通 m／s和20m／s，分别 过调节阀来控制进入实验段气体的流速，本实验采用了两个流速，10 对应的吹风比为1和0．5。二次气体由空气压缩机提供，进入加热器，加热到比室温高20 度左右，然后进入平板的空腔，通过平板壁面开的细槽喷出。实验件固定在一圆盘上，可通 过圆盘的旋转来调整主气流的进气角度。温度由埋在壁面的直径0．2mm的铜一康铜热点偶测 量，由一台HP3054A数据采集系统采集。 实验件由绝热较好的绝缘有机玻璃制成，因此壁面温度可以近似的看成绝热壁温。实验 件简图见图2，为减少分离流动，平板的前缘用一半圆代替，平板上下各开有六个细槽，其 中半圆形头部一个，直板段两个，上部细槽依次标号一，二，三，下部为四，五，六，槽宽 0．5mm，每个槽后有两个测温点，共计12个测温点，其中平板上部从半圆形头部开始，热电 偶编号为卜6，下部从半圆形头部开始，编号为7一12，测温点局部布置图见图3。 线 主流气体 加热器 图1实验系统简图 图2实验件简图 图3热电偶布置图 三、数值模拟 数值计算采用二维可压缩N_S方程，湍流模型采用标准x—s模型，网格采用非结构化 网格，由于要考察细缝周围流场的详细情况，因此对细缝周围的网格进行了局部加密，