吹风比和湍流度对气膜冷却叶片表面换热系数影响

胡颂军 宋石平 刘媛

摘要：采用数值模拟方法研究了二次流吹风比和自由流湍流度对叶片表面换热系数分布影响，获得了不同吹风比和湍流度下叶片表面换热系数展向平均分布曲线，并与试验数据进行对比。研究结果表明：换热系数比全局平均值随着吹风比的增大而减小，随着湍流度的增大而减小；数值计算较好地模拟了叶片表面换热特征。

关键词：吹风比；湍流度；换热系数

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

提高涡轮进口温度可以有效提升航空发动机性能，但这使得燃烧室和涡轮等高温部件的工作环境恶化，影响发动机可靠性和使用寿命。对高温部件进行先进高效的冷却为解决这一问题的方法之一。气膜冷却作为发动机中涡轮叶片的主要热防护措施受到广泛关注。

Nealy等指出影响涡轮叶片换热的基本因素包括：边界层的转捩特性、自由湍流度、气流分离和再附着等[1]，文献[2]研究了马赫数和吹风比对叶片气膜冷却特性的影响，朱惠人等[3]在叶片气膜冷却研究中关注孔位置和气膜射流流量对叶片表面换热系数的影响，文献[4，5]研究了湍流度、湍流尺度对边界层发展的影响，Van Fossen等研究了湍流度及湍流尺度、雷诺数等参数对叶片换热的影响[6]。本文针对典型的涡轮导向叶片，采用数值计算研究气膜出流吹风比和叶栅进口自由流湍流度对叶片换热特性的影响。

1数值计算

1.1 计算模型

如图1，计算模型为的直导向叶片，在吸力面S=-14.1D处布置单排7个气膜孔，孔径D=1.54mm，角度α=55°，孔间距4.2D，模型进口高度29.5D。

2.2湍流度对表面换热系数影响分析

图4表明，在湍流度较大（6.85%和14.24%）时，气膜出流后壁面换热系数比先增后减；而在湍流度为0.59%时，气膜出流后壁面换热系数比持续增大，在靠近叶片尾缘附近增幅缓慢；不同湍流度下换热系数比的峰值位置不同，且随着湍流度的增大向前缘移动。因为在湍流度较大时，气膜出流后加剧了气膜孔附近的流场扰动，增强了换热；同时气膜出流更快速的回到壁面，换热系数比峰值更靠近气膜孔。

从图5可以看出，在吹风比较小（≤1.0）时，换热系数比均随湍流度单调减小。

3 结论

本文研究了二次流吹风比和主流湍流度对叶片表面换热系数的影响，并与试验数据进行对比，结论如下：

（1）叶片吸力面换热系数比平均随S/C的变化趋势与试验结果吻合较好，数值计算能较好的模拟有气膜叶片表面换热特征。

（2）除主流湍流度为6.85%、吹风比M=1.2工况外、换热系数比全局平均值随吹风比的增大而减小。

（3）在吹风比较小（≤1.0）时，换热系数比均随湍流度单调减小。

参考文献

[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. 航空發动机传热学[M]. 北京：北京航空航天大学出版社，2005.

（作者单位：中国航发湖南动力机械研究所 中小型航空发动机叶轮机械湖南省重点实验室）