吹風比和湍流度對氣膜冷卻葉片表面換熱系數影響

胡頌軍 宋石平 劉媛

摘要：采用數值模擬方法研究了二次流吹風比和自由流湍流度對葉片表面換熱系數分布影響，獲得了不同吹風比和湍流度下葉片表面換熱系數展向平均分布曲線，并與試驗數據進行對比。研究結果表明：換熱系數比全局平均值隨著吹風比的增大而減小，隨著湍流度的增大而減小；數值計算較好地模擬了葉片表面換熱特征。

關鍵詞：吹風比；湍流度；換熱系數

Abstract：The effect of blowing ration and free stream turbulence on heat transfer coefficient of a film cooled vane was investigated numerically and compared with experimental data. The results show that the average heat transfer coefficient based on suction side decreased almost linearly with an increase in blowing ratio and free stream turbulence. Compared with experiment results，the numerical research method can simulate and indicate heat transfer characteristic of a vane.

Key words：blowing ratio；turbulence；heat transfer coefficient

提高渦輪進口溫度可以有效提升航空發動機性能，但這使得燃燒室和渦輪等高溫部件的工作環境惡化，影響發動機可靠性和使用壽命。對高溫部件進行先進高效的冷卻為解決這一問題的方法之一。氣膜冷卻作為發動機中渦輪葉片的主要熱防護措施受到廣泛關注。

Nealy等指出影響渦輪葉片換熱的基本因素包括：邊界層的轉捩特性、自由湍流度、氣流分離和再附著等[1]，文獻[2]研究了馬赫數和吹風比對葉片氣膜冷卻特性的影響，朱惠人等[3]在葉片氣膜冷卻研究中關注孔位置和氣膜射流流量對葉片表面換熱系數的影響，文獻[4，5]研究了湍流度、湍流尺度對邊界層發展的影響，Van Fossen等研究了湍流度及湍流尺度、雷諾數等參數對葉片換熱的影響[6]。本文針對典型的渦輪導向葉片，采用數值計算研究氣膜出流吹風比和葉柵進口自由流湍流度對葉片換熱特性的影響。

1數值計算

1.1 計算模型

如圖1，計算模型為的直導向葉片，在吸力面S=-14.1D處布置單排7個氣膜孔，孔徑D=1.54mm，角度α=55°，孔間距4.2D，模型進口高度29.5D。

2.2湍流度對表面換熱系數影響分析

圖4表明，在湍流度較大（6.85%和14.24%）時，氣膜出流后壁面換熱系數比先增后減；而在湍流度為0.59%時，氣膜出流后壁面換熱系數比持續增大，在靠近葉片尾緣附近增幅緩慢；不同湍流度下換熱系數比的峰值位置不同，且隨著湍流度的增大向前緣移動。因為在湍流度較大時，氣膜出流后加劇了氣膜孔附近的流場擾動，增強了換熱；同時氣膜出流更快速的回到壁面，換熱系數比峰值更靠近氣膜孔。

從圖5可以看出，在吹風比較小（≤1.0）時，換熱系數比均隨湍流度單調減小。

3 結論

本文研究了二次流吹風比和主流湍流度對葉片表面換熱系數的影響，并與試驗數據進行對比，結論如下：

（1）葉片吸力面換熱系數比平均隨S/C的變化趨勢與試驗結果吻合較好，數值計算能較好的模擬有氣膜葉片表面換熱特征。

（2）除主流湍流度為6.85%、吹風比M=1.2工況外、換熱系數比全局平均值隨吹風比的增大而減小。

（3）在吹風比較小（≤1.0）時，換熱系數比均隨湍流度單調減小。

參考文獻

[1] Nealy D A，Mihelc M S，Hylton L D，et al. Measurements of heat transfer distribution over the surfaces of highly loaded turbine nozzle guide vanes[J]. ASME，Transactions，Journal of Engineering for Gas Turbines and Power，1984，106：149-158.

[2] Newman A，Xue S，Ng W，et al. Performance of a Showerhead and Shaped Hole Film Cooled Vane at High Free stream Turbulence and Transonic Conditions[J]. ASME Conference Proceedings，2011，2011（54655）：65-77.

[3] Han J C，Dutta S，Ekkad S. Gas turbine heat transfer and cooling technology[M]. Taylor & Francis Group，2000.

[4] Mayle R E，Dullenkopf K，Schulz A. 1997 Best Paper Award---Heat Transfer Committee：The Turbulence That Matters[J]. Journal of Turbomachinery，1998，120（3）：402-409.

[5] Carullo J S，Nasir S，Cress R D，et al. The effects of freestream turbulence，turbulence length scale and exit Reynolds number on turbine blade heat transfer in a transonic cascade：Proceedings of the ASME Turbo Expo，Montreal，Que.，Canada，2007[C].

[6] Van Fossen G J，Simoneau R J，Ching C Y. Influence of turbulence parameters，Reynolds number，and body shape on stagnation-region heat transfer[J]. Journal of Heat Transfer，1995，117（3）：597-603.

[7] 曹玉璋. 航空發動機傳熱學[M]. 北京：北京航空航天大學出版社，2005.

（作者單位：中國航發湖南動力機械研究所 中小型航空發動機葉輪機械湖南省重點實驗室）