涡轮叶片带肋通道换热性能数值和试验研究.pdf
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1、 年 月第 卷第 期西 北 工 业 大 学 学 报 :收稿日期:作者简介:李皓璠(),沈阳飞机设计研究所工程师,主要从事飞机推进系统设计研究。:涡轮叶片带肋通道换热性能数值和试验研究李皓璠,云雪(沈阳飞机设计研究所,辽宁 沈阳)摘 要:采用数值模拟与试验测试相结合的方法,利用涡旋核心可视化技术对于带肋通道内部流动与换热机理进行研究。对于宽高比为 的 斜置带肋直通道的原型结构(无切除结构)和另外 种优化结构,全部肋片在流动方向下游切除 个肋高()的改良结构在综合换热性能上表现最优,相对于原型结构的带肋面平均 数、平均 数比和平均换热因子分别增长,;经试验验证,带肋通道外壁面温度的试验值与数值模拟
2、值误差在 左右。关 键 词:带肋通道;冷却性能;叶片冷却中图分类号:文献标志码:文章编号:()对现有涡轮风扇发动机性能进行优化可采取改变发动机传统循环模式、提高发动机循环参数、优化发动机控制系统等多种方法。发动机高压涡轮前温度直接决定推进系统的推力性能,高压涡轮前温度每提高 ,推力可提高约 。目前涡轮风扇发动机涡轮叶片所采用的冷却技术主要有外部冷却和内部冷却 种方式,其中内部冷却中最重要的部分就是在叶片中部区域的带肋通道冷却。等研究了带肋通道,拟合得到了强迫对流传热的传热关联式。等对带肋通道内的截断肋进行了研究,发现相同换热效率下采用截断肋可降低压力损失。拟合得到了不同结构参数下带肋通道的传热
3、关联式。等采用数值模拟方法研究不同结构内冷通道,结果表明相对于 型肋,波纹肋的换热效果更好。刘聪等对三角形 肋和反向 肋的换热效果进行研究,发现反向 肋的换热效果更好。通过改变肋片结构强化换热的冷却机理研究得到了广泛发展。但对于带间隔的间断肋片通道的流动换热研究较少。本文利用试验平台对宽高比为 的 斜置带肋通道进行了详细的测量,并开展数值模拟研究,验证了带间断间隔肋的新型结构能够有效提高换热性能。高压涡轮叶片带肋通道换热性能衡量方法在高压涡轮叶片中增加肋结构,会在提升换热性能的同时,增加流动阻力。换热能力以努赛尔数作为衡量指标,流动阻力以摩擦因数作为衡量指标,为了将换热性能强化和流体能量损失进
4、行综合考虑,将换热性能因子作为综合评价指标,分别定义如下:努塞尔数定义为()()()式中:为努塞尔数;为流体导热系数,;为对流换热系数,;为通过壁面热流密度,;为散热损失,;为通道换热面面积,;为通道表面当地平均壁面温温度,;为冷却工质的温度,。摩擦因数通过压损、通道长度 和流体的流动速度 求得()第 期李皓璠,等:涡轮叶片带肋通道换热性能数值和试验研究式中:为摩擦因数;为流体压力损失,;为气流速度,;为通道长度,。为了衡量带肋通道的换热能力与摩擦损失的大小,现在引入光滑通道内强制对流换热和摩擦因数的普遍关联式()()()式中:为流体在光滑通道中努赛尔系数;为流体在光滑通道中的摩擦因数;为流体
5、的普朗特数。换热性能因子 计算公式为()()宽高比为 的 斜置带肋通道换热性能测量试验 试验平台简介宽高比为 的 斜置带肋通道试验原理及结构设计如图 所示,试验装置主要由风机、试验段、电加热器、控制与信号采集系统等组成。在试验过程中,由风机鼓入的空气通过储气罐进入带肋面恒定热流密度为 的试验段中。调节控制系统电磁阀的开度得到合适流量,使试验段进口雷诺数分别保持在 ,和 这 种工况,试验段进口压力控制在 左右,进气温度为 。图 试验平台原理图图 试验段结构设计图原型通道和新型结构的具体参数如表 所示,序号 为新型结构,新型结构是在流动方向下游肋片远端位置对肋片进行切除,序号 新型结构如图 所示。
6、表 带肋通道原型结构及新型结构的具体参数(肋片角度,肋片间距 )序号肋片高度 切割方式无切除 全切 偶数切 全切 偶数切 全切 偶数切图 沿流动方向下游肋片切除的新型结构所有的热电偶均焊接在外壁面相应的测温位置上,带肋外壁面上沿中心线存在 个热电偶测温点,测温点从距离入口 处开始,依次相距 均匀排布,带肋通道试验段外壁面热电偶的分布如图 所示。图 热电偶分布部分图 试验结果分析对带肋通道带肋外壁面中心线上的 个测点进行了测量,试验结果如图 所示。其中,沿流动方向为 正方向带肋通道当量直径为。对于宽高比为 的 斜置带肋通道原型结构,在 ,种雷诺数工况下,带肋外壁面中心线上努塞尔数分布基本上呈现相
7、同的规律:西 北 工 业 大 学 学 报第 卷图 原型结构带肋面外壁面中心线 分布)在 入口段,由于入口段存在通道收缩扩张的急剧变化,紊流度较大,进口流速变化较大,湍流度增加,速度和温度的边界层在此位置都相对较薄,导致带肋面被急剧冷却,努塞尔数存在一个明显的先升高后降低的过程;)在 区域,流动进入了充分发展状态,入口段效应基本消失,空气温度逐渐升高,努塞尔数逐渐减小,带肋面外壁面中心线上的努塞尔数随着 的增加有逐渐减小的趋势;)在 区域,冷却空气对试验段的冷却作用逐渐减弱,试验段的外壁面的温度趋于平缓,位置的温度有所下降,努塞尔数逐渐增大。种新型结构的带肋面外壁面中心线努塞尔数分布规律与原型结
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