單排氣膜和多孔全覆蓋氣膜冷卻研究.pdf

1、氣膜冷卻在現(xiàn)代燃氣輪機火焰筒和渦輪葉片等熱端部件冷卻結構中具有十分重要的作用。盡管國內外針對氣膜冷卻已經(jīng)開展了大量的研究，但進一步提高氣膜冷卻的性能仍然是一個富于挑戰(zhàn)和創(chuàng)新的研究課題，其核心問題在于降低氣膜出流向主流的穿透率、增強氣膜出流在擴展區(qū)域擴散的覆蓋面積。本文圍繞提高氣膜冷卻效率的研究目標，研究內容包含兩個方面：其一，針對單排氣膜孔冷卻結構，提出一種在氣膜孔前緣設置異形突片改善氣膜冷卻效率的技術途徑，通過數(shù)值和實驗研究分析和探討

2、氣膜孔前緣設置異形突片結構的流動傳熱特性，揭示其強化冷卻的物理特征；其二，針對多孔全覆蓋氣膜冷卻結構，通過多孔壁內外流耦合條件下的流動傳熱特性數(shù)值研究和實驗驗證，系統(tǒng)研究氣膜孔排布方式、開孔率和吹風比等因素對于多孔全覆蓋氣膜冷卻特性的影響規(guī)律，探討氣膜孔排布方式的優(yōu)化方案。
　　 對氣膜孔前緣異形突片影響氣膜出流流動和冷卻效果的機制進行了研究。研究結果表明，氣膜孔前緣異形突片改變了氣膜出流的速度剖面特征，一方面沿流向的峰值速度增

3、加，另一方面，峰值速度對應的壁面法向距離減小。體現(xiàn)了突片不僅具有抑制氣膜出流向主流穿透的作用，而且具有提高氣膜出流的展向覆蓋和向下游延伸的能力。因此，與常規(guī)圓柱形氣膜孔相比，帶前緣異形突片的圓柱形氣膜孔能夠有效改善氣膜絕熱冷卻效率。
　　 對帶有前緣異形突片氣膜冷卻結構的流動換熱特性進行數(shù)值模擬研究和實驗研究，總結歸納出異形突片結構參數(shù)在不同吹風比下對氣膜絕熱冷卻效率、對流換熱系數(shù)和流量系數(shù)的影響規(guī)律。研究結果表明，在適當?shù)耐黄?/p>

4、堵塞比范圍內，隨著吹風比和堵塞比的增大，突片抑制氣膜出流穿透的作用增強，有利于提高氣膜的絕熱冷卻效率；但堵塞比過大也會引起孔口附近流場的嚴重分離，主次流摻混加劇，從而使氣膜絕熱冷卻效率惡化。因此在不同的吹風比下存在著最佳堵塞比，一般來說，小吹風比工況對應的最佳堵塞比較小，隨著吹風比增大，最佳堵塞比也隨之增大。隨著突片堵塞比的增大，對流換熱系數(shù)增大，流量系數(shù)減小。
　　 開展了氣膜孔前緣異形突片與后緣擴展型面的匹配研究，揭示了突片

5、作用下的擴展型氣膜孔冷卻結構的流動特征和對流換熱特性，并分析和歸納了異形突片和擴展孔結構參數(shù)對氣膜絕熱冷卻效率、對流換熱系數(shù)和流量系數(shù)的影響規(guī)律。研究結果表明，改變氣膜孔擴展型面的流向擴展角和展向擴展角同樣可以使氣膜出流卵形渦對重新排布，從而改善氣膜絕熱冷卻效率，流向擴展角的影響程度要大于展向擴展角。前緣異形突片與后緣擴展型面有一定的匹配原則，對于展向擴展角比較大的氣膜孔，異形突片提高氣膜絕熱冷卻效率的作用明顯；對于只有流向擴展角的氣膜

6、孔結構，在氣膜孔前緣放置突片并不一定具有改善氣膜絕熱冷卻效率的作用。
　　 通過數(shù)值模擬方法，對多孔全覆蓋氣膜冷卻方式的氣膜絕熱冷卻效率、熱側和冷側對流換熱系數(shù)以及流量系數(shù)進行了研究，歸納了氣膜孔排布方式、開孔率、吹風比等因素對于多孔壁流動特性和冷卻特性的影響規(guī)律。研究結果表明，氣膜孔陣列超長菱形排布是較優(yōu)的排布方案，在該排布方式下，氣膜出流向主流的穿透相對較弱，氣膜沿展向的覆蓋率也較高；吹風比是影響熱側和冷側對流換熱系數(shù)的最主

7、要因素，隨著吹風比增加，熱側和冷側對流換熱系數(shù)均呈現(xiàn)增大的趨勢。依據(jù)多孔全覆蓋氣膜冷卻的氣膜出流疊加和發(fā)展特征，提出了氣膜充分發(fā)展的概念，獲得了氣膜出流達到充分發(fā)展所對應的孔排數(shù)以及相應的絕熱冷卻效率關聯(lián)式，并對主次流溫度比的影響進行了修正。
　　 開展了多孔全覆蓋氣膜冷卻綜合冷卻效率的數(shù)值研究和實驗驗證，分析了氣膜孔的孔徑、開孔率和孔陣排布方式等幾何參數(shù)以及吹風比對多孔壁綜合冷卻效率的影響規(guī)律。研究結果表明，氣膜孔排布方式對綜