旋轉狀態(tài)下回轉通道內部流動與換熱特性研究.pdf

1、帶肋回轉通道是廣泛使用的一種典型的渦輪葉片冷卻結構，它使用多腔通道組合冷卻方式來合理利用冷氣增強內壁面換熱。為詳細了解多腔帶肋回轉通道的壁面換熱及壓力分布特征，掌握旋轉條件、出口流量分配比例對通道流動換熱特性的影響。本文針對某型燃氣渦輪動葉的帶肋回轉通道，采用實驗和數值模擬的方法進行了系統(tǒng)的研究。
　　實驗研究采用了放大模型，建立了旋轉全表面換熱測量實驗系統(tǒng)。根據葉片內通道結構特點，回轉通道實驗模型是由2個轉彎段連接的3個帶肋通道

2、組成，徑向出流第1、3通道為梯形截面通道，徑向入流第2通道為矩形截面通道，入口位于第1通道底部，出口1位于第1轉彎段頂部，出口2、3分位于第3通道頂部和側壁。第1、2通道的的壓力面、吸力面上交錯分布著14個90°矩形直肋，第3通道的壓力面、吸力面上交錯分布著16個90°楔形直肋，肋高與通道水力直徑之比為0.107:1，肋距與肋高之比為12.58:1。實驗入口雷諾數范圍為Re=5000~20000，出口1、2、3占入口的質量流量比例為27

3、％、49%、24%(3個出口均出流)，27%、0%、73%(出口2不出流)和27%、73%、0%(出口3不出流)，實驗旋轉數范圍為0~0.09、旋轉半徑與通道入口水力直徑比為46.4。采用了瞬態(tài)液晶測量技術測量壓力面的換熱分布。數值模擬研究采用了與實驗模型相同的計算域，針對實驗研究典型工況進行研究，增加了旋轉半徑與通道入口水力直徑比變化的流動換熱特性研究。
　　經過實驗和數值模擬，本文得出以下結論：
　　1.在建立的旋轉內流

4、通道全表面換熱實驗系統(tǒng)上，實現了旋轉狀態(tài)下液晶換熱測量，突破旋轉圖像采集、數據傳輸和記錄、氣流快速加熱等關鍵技術后，利用液晶測量方法獲得了高分辨率回轉通道全表面換熱分布，尤其在旋轉全表面測量上表現出較大優(yōu)勢。在實驗研究條件下，采用瞬態(tài)液晶測試技術的換熱系數測量誤差可控制在10%以內。
　　2.肋的擾流阻力、出流損失和轉彎效應均影響沿程壓力系數分布。在不同雷諾數下，沿程壓力系數變化規(guī)律相同，壓力系數沿流向逐漸減小，小雷諾數下局部流動

5、損失較大。不同出流比下，沿程壓力系數在第3通道的差距較大，出口2不出流時壓力系數降幅最大，沿程流動損失最大。旋轉作用力使回轉通道各段的壓力系數改變，徑向出流通道的壓力系數降幅減小，徑向入流通道的壓力系數降幅增大，旋轉半徑增加對沿程壓力系數的增減幅度影響更加明顯。
　　3.不同雷諾數的壓力面換熱分布相似，肋的擾流使主流邊界層分離和再附著，增加了壁面的湍流度，使肋間換熱系數升高；轉彎分離使下游回轉通道換熱分布不均，靠近轉彎下游換熱系數

6、較低，遠離轉彎下游換熱系數較高，壁面換熱沿流向逐漸均勻。流量分配比例僅影響第3通道壁面換熱分布，出口2流量減小造成第3通道換熱分布不均勻性加強。
　　4.隨著旋轉數的增加，徑向出流壓力面的換熱系數增加，第3通道高換熱區(qū)向通道內側偏移；徑向入流通道的壓力面的換熱系數稍有減小，第2通道右側的單渦高換熱區(qū)變?yōu)樽笥覂蓚鹊碾p渦高換熱區(qū)，雙渦高換熱區(qū)沿流向逐漸左偏，最終合并；隨旋轉半徑增加，壁面的換熱分布不變，換熱系數稍有增加。
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7、.各段帶肋通道壁面的沿程展向平均換熱系數均呈多波峰狀分布，沿流向肋擾流造成的換熱強化區(qū)逐漸減小，轉彎造成下游通道肋間波峰向前肋下游偏移。肋間平均換熱系數沿流向變化規(guī)律與沿程展向平均換熱系數相似。
　　6.數值模擬發(fā)現，隨著旋轉半徑與通道入口水力直徑比的增加，壁面局部換熱系數稍有增大，轉彎連接造成各段通道壁面換熱分布與單通道明顯不同，回轉通道的沿程肋間平均換熱系數明顯偏高，數值模擬基本能夠預測壁面換熱分布規(guī)律，具體計算數值比是實驗結