雙向擴(kuò)張型孔射流流量系數(shù)試驗(yàn)范文

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《熱力發(fā)電雜志》2015年第十一期

[摘要]

為了探索雙向擴(kuò)張氣膜孔的流阻特性,提高燃?xì)廨啓C(jī)渦輪的氣膜冷卻效果,在吹風(fēng)比分別為0．5,1．0,1．5,2．0和主流雷諾數(shù)分別為6500,10000和13500下,通過試驗(yàn)方法對(duì)不同射流角度和氣膜孔出口寬度下孔的流量系數(shù)進(jìn)行研究.結(jié)果表明:吹風(fēng)比為0．5時(shí),射流角度對(duì)氣膜n流量系數(shù)的影響較小;吹風(fēng)比為1．0,1．5,2．0時(shí),射流角度從30°增大到60°,流量系數(shù)隨之增大,最大增幅31％,射流角度從60°增大到90°,流量系數(shù)變化較小;氣膜孔出口寬度與孔徑比從1．5增大到2．5,吹風(fēng)比為0．5時(shí)的流量系數(shù)變化較小;吹風(fēng)比為1．0,1．5,2．0時(shí),流量系數(shù)最大增幅為18％,并且增幅隨著射流角度增大而減小;吹風(fēng)比從0．5增大到2．0,流量系數(shù)最大增幅為107％;主流雷諾數(shù)對(duì)流量系數(shù)影響較小.

[關(guān)鍵詞]

燃?xì)廨啓C(jī);氣膜冷卻;雙向擴(kuò)張孔;流量系數(shù);吹風(fēng)比;雷諾數(shù);射流角度

渦輪是燃?xì)廨啓C(jī)三大核心部件之一[1].目前大型燃?xì)廨啓C(jī)的渦輪入口溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于渦輪葉片材料可承受溫度,因此必須采用適當(dāng)?shù)姆绞綄?duì)其進(jìn)行冷卻.氣膜冷卻是降低渦輪葉片溫度的一種有效方法,其冷卻效果不僅與流體的流動(dòng)狀態(tài)有關(guān),還與氣膜孔的幾何形狀、結(jié)構(gòu)參數(shù)等因素有關(guān)[2G3].借助更少的冷氣達(dá)到一定的冷卻效果,是研究氣膜冷卻的關(guān)鍵技術(shù).供氣不足會(huì)降低冷卻效率,使得渦輪葉片區(qū)域產(chǎn)生高溫負(fù)荷,而過度供氣會(huì)導(dǎo)致渦輪內(nèi)部冷卻氣體使用率較低.所以在設(shè)計(jì)新型氣膜孔時(shí),首先應(yīng)在工程應(yīng)用條件允許范圍內(nèi),選擇流量系數(shù)較大的孔型結(jié)構(gòu),這樣不但可以在較小的壓差下獲得相同的冷氣量,降低燃?xì)廨啓C(jī)功耗,而且可以得到不同冷卻特性設(shè)計(jì)點(diǎn)的壓力參數(shù).氣膜孔內(nèi)孔型對(duì)氣膜冷卻特性的影響較大,具有代表性的孔型有普通圓柱孔、圓錐形孔、簸箕形孔等[4G6].在這些文獻(xiàn)中表明適當(dāng)改變圓柱形孔的出口形狀可以有效地減小孔出口的流動(dòng)損失,從而提高流量系數(shù).文獻(xiàn)[7G8]表明氣膜孔出口寬度增加有助于冷卻氣流展向擴(kuò)散運(yùn)動(dòng),增大覆蓋范圍,提高平均冷卻效率.氣膜孔出口寬度對(duì)流量系數(shù)的影響有待進(jìn)一步研究.文獻(xiàn)[9G11]研究表明改變圓柱孔的入口形狀可以減小孔入口和孔內(nèi)分離流動(dòng)產(chǎn)生的局部流動(dòng)損失,提高氣膜孔流量系數(shù)并改善冷卻特性.文獻(xiàn)[5,12G14]研究了氣膜孔入口與出口的壓比、內(nèi)部和外部橫流馬赫數(shù)等氣動(dòng)特性參數(shù)對(duì)氣膜孔流量系數(shù)的影響.文獻(xiàn)[15]研究了圓柱孔不同傾向角和方位角等射流角度對(duì)流量系數(shù)的影響,結(jié)果表明雙向擴(kuò)張孔入口擴(kuò)張可以減小氣膜孔內(nèi)部流動(dòng)損失,出口擴(kuò)張可以有效提高氣膜冷卻效率.因此,對(duì)于一個(gè)新的氣膜孔結(jié)構(gòu),需要詳細(xì)地研究其流阻特性和冷卻特性,而氣膜孔出口寬度對(duì)流量系數(shù)的影響并未見公開報(bào)道.對(duì)此,本文采用試驗(yàn)的方法系統(tǒng)地研究了雙向擴(kuò)張孔在不同主流雷諾數(shù)和吹風(fēng)比下,不同射流角度和出口寬度對(duì)流量系數(shù)的影響.

1試驗(yàn)設(shè)備及數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)在低速風(fēng)洞中進(jìn)行,試驗(yàn)系統(tǒng)(圖1)由離心風(fēng)機(jī)(分為主流和二次流)提供氣源.圖2為雙向擴(kuò)張型氣膜孔模型,其試驗(yàn)段布置5個(gè)氣膜孔,孔徑為d,孔間距為3d,氣膜孔入口和出口徑向擴(kuò)張角度β均為15°,射流角度α分別為30°,60°和90°,氣膜孔入口寬度為1．5d,出口寬度W分別為1．5d,2．0d和2．5d。

2試驗(yàn)結(jié)果與分析

2．1吹風(fēng)比和雷諾數(shù)對(duì)流量系數(shù)的影響圖3為在不同主流雷諾數(shù)Re、不同射流角度α下,氣膜孔n出口寬度W＝2．5d時(shí),氣膜孔n流量系數(shù)CD隨吹風(fēng)比Br的變化曲線.從圖3可以看出,在不同工況下流量系數(shù)隨吹風(fēng)比變化基本相同,表明流量系數(shù)不隨主流雷諾數(shù)變化而變化.α＝30°時(shí)(圖3a)),Br由0．5增至2．0,流量系數(shù)CD增大0．26~0．48,增幅47％~83％,氣膜孔出口寬度越大增幅越大.α＝60°時(shí)(圖3b)),Br由0．5增至2．0,流量系數(shù)增大0．5~0．6,增幅91％~102％.α＝90°時(shí)(圖3c)),Br由0．5增至2．0,流量系數(shù)增大0．54~0．62,增幅90％~107％.分析原因,Br對(duì)流量系數(shù)的影響主要是主流對(duì)二次流的阻塞效應(yīng).Br較小時(shí),主流速度大于二次流速度,阻塞效應(yīng)比較明顯.當(dāng)二次流速度接近主流速度時(shí),主流與二次流摻混后的損失最小.在高Br情況下,二次流速度高于主流速度,主流與二次流摻混后會(huì)出現(xiàn)一部分摻混損失.此外,Br越大,氣膜孔內(nèi)二次流流速越大,孔內(nèi)移動(dòng)邊界厚度越小,沿程損失相對(duì)較小,有效流通面積越大.所以,隨著Br的增加,流量系數(shù)增大,并且增幅在Br＝1．0后相對(duì)變小.在流動(dòng)損失、阻塞效應(yīng)綜合影響下,總流速損失變化較小,因此流量系數(shù)基本不受主流Re影響.α越大,綜合影響越明顯,對(duì)流量系數(shù)的影響越弱.

2．2α對(duì)流量系數(shù)的影響圖4為Re＝13500不同Br和W下,流量系數(shù)隨α的變化曲線.從圖4可以看出,Br＝0．5時(shí),在不同W下流量系數(shù)基本不受α的影響.Br＝1．0,1．5,2．0時(shí),流量系數(shù)隨α的變化規(guī)律大致相同,α從30°升高到60°,流量系數(shù)增加0．13~0．26,增幅13％~31％;α從60°升高到90°,最大增幅5％.這意味著雙向擴(kuò)張孔在實(shí)際應(yīng)用中,就流阻特性而言,α從60°到90°之間加工精度對(duì)流量系數(shù)影響不大.分析原因,當(dāng)Br＝0．5時(shí),由于Br很小,所以二次流流速和流量較小,氣膜孔入口和出口處的局部損失及孔內(nèi)的沿程損失相應(yīng)較小,主流對(duì)二次流的阻塞效應(yīng)較大.隨著α增大,氣膜孔內(nèi)流動(dòng)損失減小,阻塞效應(yīng)增大,總損失變化不大,因此Br＝0．5時(shí)α對(duì)流量系數(shù)的影響較小.二次流流量與流速隨著Br的增大而增大,氣膜孔流動(dòng)損失增強(qiáng),阻塞相對(duì)效應(yīng)減弱.α較小時(shí),氣膜孔較長(zhǎng),孔內(nèi)沿程損失較大,導(dǎo)致流量系數(shù)減小.隨著α增大,氣膜孔長(zhǎng)度逐漸減小,沿程損失也逐漸減小,流量系數(shù)會(huì)逐漸增大.當(dāng)α大于60°時(shí),氣膜孔長(zhǎng)度引起的孔內(nèi)沿程損失對(duì)整個(gè)流動(dòng)損失影響會(huì)減弱,氣膜孔入口和出口處流動(dòng)分離而產(chǎn)生的局部損失會(huì)占主導(dǎo)地位.孔出口和入口有效流通面積也會(huì)隨著α的增大而減小,主流對(duì)二次流阻塞效應(yīng)增大.綜合影響下,流動(dòng)總損失變化不大,因此α從60°增至90°時(shí),流量系數(shù)變化較小.

2．3W對(duì)流量系數(shù)的影響圖5為主流Re＝10000時(shí),在不同Br和α下,流量系數(shù)隨W的變化曲線.從圖5可以看出,Br＝0．5時(shí),由于主流對(duì)二次流阻塞效應(yīng),流量系數(shù)不隨W變化而變化.Br＝1．0,1．5,2．0時(shí),W增加其對(duì)應(yīng)流量系數(shù)也隨之變大,并且增加趨勢(shì)會(huì)隨著α的增大而變得平緩.α為30°時(shí)(圖5a),W從1．5d增至2．0d,流量系數(shù)最大增幅9％;W從2．0d增至2．5d,流量系數(shù)增加0．06~0．18,增幅9％~18％.α為60°時(shí)(圖5b),流量系數(shù)隨W的增大增幅平緩,W從1．5d到2．5d,流量系數(shù)增加0．09~0．16,增幅8％~18％.α為90°時(shí)(圖5c),流量系數(shù)最大增幅不超過9％.說(shuō)明雙向擴(kuò)張孔在實(shí)際應(yīng)用中,對(duì)流阻而言,W從1．5d到2．0d之間的加工精度對(duì)流量系數(shù)影響較小.分析原因,流動(dòng)損失除氣膜孔出口和入口處的局部損失外,還包括孔內(nèi)沿程損失,而隨著W的增大,出口局部損失減小,二次流有效流通面積增大.由于流動(dòng)損失中局部損失比沿程損失大得多,所以在較大Br下,α為30°時(shí),W對(duì)應(yīng)較大流量系數(shù).α為60°時(shí),孔長(zhǎng)度變短,孔內(nèi)沿程損失影響變?nèi)?流動(dòng)損失更依賴于W的變化,因此流量系數(shù)隨著W的增大而升高的曲線變得平滑.α為90°時(shí),出口面積相對(duì)于30°和60°時(shí)減小,主流對(duì)二次流的阻塞效應(yīng)會(huì)很大,在流動(dòng)損失和阻塞效應(yīng)的綜合影響下,總損失變化較小,使得流量系數(shù)隨W的增大而增加甚微.

3結(jié)論

1)流量系數(shù)隨著Br的增加而增大,Br從0．5增至2．0,最大增幅為107％;增幅隨著Br的增大而減小.主流Re對(duì)流量系數(shù)的影響較小,最大增幅不超過10％,并且α越大,影響越小.2)Br＝0．5時(shí),α對(duì)流量系數(shù)的影響較小,最大增幅不超過9％.Br＝1．0,1．5,2．0時(shí),α從30°增大到60°,流量系數(shù)增幅13％~31％,α從60°增大到90°,流量系數(shù)變化較小.3)Br＝0．5時(shí),W對(duì)流量系數(shù)的影響較小,最大增幅不超過10％.Br＝1．0,1．5,2．0時(shí),流量系數(shù)隨W的增大而逐漸增大,且增加趨勢(shì)隨著α的增大而變化平緩.W從1．5d增至2．5d,α＝30°時(shí)流量系數(shù)增幅9％~18％,α＝60°時(shí)增幅8％~18％,α＝90°時(shí)影響較小.4)根據(jù)雙向擴(kuò)張孔流量系數(shù)試驗(yàn)數(shù)據(jù),在實(shí)際應(yīng)用中,α從60°增至90°,W從1．5d增至2．0d的加工精度對(duì)流量系數(shù)影響較小.考慮工藝難度和強(qiáng)度因數(shù),在該尺寸范圍內(nèi),宜選擇α＝90°和W＝1．5d的孔型結(jié)構(gòu).

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作者：李廣超 陳鈺愷 張魏 付健 單位：沈陽(yáng)航空航天大學(xué)遼寧省航空推進(jìn)系統(tǒng)先進(jìn)測(cè)試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室