Film Cooling Performance Investigation for Novel Trenches.pdf

1、日益提高的透平進口溫度（TET）對燃氣輪機葉片冷卻提出了更高的要求，本文旨在提出并研究一種新型的氣膜冷卻結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)這一目標。在本論文中，采用ANSYS CFX12.1來預(yù)測帶新型冷卻溝槽的氣膜冷卻性能，并對于在平板和葉片上的三種新型氣膜孔的氣膜冷卻效率進行了研究。
　　所提出的第一種新型冷卻溝槽是包含兩個溝槽的多溝槽冷卻結(jié)構(gòu)，一個寬溝槽疊加一個從寬溝槽伸出的窄溝槽。利用這種多溝槽結(jié)構(gòu)，冷卻空氣射流通過溝槽壁的兩次作用，增強了冷卻工

2、質(zhì)在溝槽內(nèi)和葉片表面的側(cè)向鋪展，降低了射流速度，使射流更好的覆蓋在被冷卻表面。本文探討了三種不同的湍流模型的預(yù)測精度，包括k-ε, k-ω和SST Gamma Theta模型等。本文研究的吹風比在0.5-5范圍內(nèi)變化。此外還研究了節(jié)距-直徑比對多溝槽氣膜孔的影響。多溝槽冷卻效果和已有實驗的窄溝槽及其他情況進行了充分對比，結(jié)果表明，多溝槽結(jié)構(gòu)在吹風比M=0.5和M=1的情況下，其空間平均絕熱冷卻效率比窄溝槽分別提高了80％和65%。多溝槽

3、冷卻結(jié)構(gòu)的另外一個好處是在提供同樣的冷卻效果的同時可以減少冷卻流量。對于多溝槽結(jié)構(gòu)的孔間距-直徑比的參數(shù)化研究表明，獲取孔徑-節(jié)距比P/D的最佳值，對于減少冷卻工質(zhì)流量、減少制造時間和成本，以及提高氣膜冷卻效率具有重要的作用。在本文研究條件下，相對節(jié)距等于2.775時，具有最好的冷卻效果。
　　研究的第二種新型冷卻結(jié)構(gòu)是分孔結(jié)構(gòu)。本文探索了二十六種不同的分孔結(jié)構(gòu)型式，并與實驗數(shù)據(jù)進行了對比。論文分別研究了溝槽深度和寬度的影響，以及

4、冷卻溝槽采用分孔結(jié)構(gòu)和下游曲邊后的冷卻效果。并在不同深度和寬度下，對于兩種不同組合溝槽的冷卻效果進行了分析。
　　在上述冷卻結(jié)構(gòu)的研究中，吹風比值分別為0.5,1和2，模擬給出了壓力系數(shù)等參數(shù)的分布情況。模擬結(jié)果和實驗結(jié)果的對比顯示，在軸向分割孔的情況下，射流速度降低到僅有原值的一半，其結(jié)果是冷卻射流抬起高度的下降，這種下降有效降低了冷卻射流對于流動主流的干擾，提高了流動效率。當吹風比為M=0.5時，帶有分割孔結(jié)構(gòu)的射流平均速度為

5、6.8m/s,而非分割孔的射流平均速度為12.5 m/s。當吹風比為M=1時，相比于實驗，橫向平均冷卻效率增加了69%，在溝槽中加入分割孔有效改善了冷卻工質(zhì)的橫向擴展。研究結(jié)果還表明，溝槽的深度，寬度和形狀對于溝槽的冷卻效率具有重要的影響。計算結(jié)果顯示，冷卻氣流在溝槽內(nèi)的擴張，以及射流與下游邊緣的接觸面積是控制冷卻強化的重要因素。同時，結(jié)果顯示，采用分割孔有助于降低湍流水平，從而降低葉片表面的傳熱。與實驗相比，最大空間平均冷卻效率將提高

6、57.61%，而最差空間平均效率將降低-43.7%。同時結(jié)果也清楚表明，帶有分割孔冷卻結(jié)構(gòu)的峰值壓力要明顯低于不帶分割孔結(jié)構(gòu)的峰值壓力。
　　第三部分研究了將多溝槽冷卻孔結(jié)構(gòu)應(yīng)用到典型的帶有實驗結(jié)果的冷卻渦輪葉片 C3X的吸力面上。本文研究的吹風比范圍為0.5-3。模擬對比了C3X吸力面和平板的絕熱冷卻效率，結(jié)果表明，在小的吹風比時，曲率使冷卻流體被阻塞在下游的角落，而平板流體沒有受到阻擋直接流出溝槽，因此，曲率將使得葉片表面的氣