双向扩张型孔射流流量系数试验范文

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《热力发电杂志》2015年第十一期

[摘要]

为了探索双向扩张气膜孔的流阻特性,提高燃气轮机涡轮的气膜冷却效果,在吹风比分别为0．5,1．0,1．5,2．0和主流雷诺数分别为6500,10000和13500下,通过试验方法对不同射流角度和气膜孔出口宽度下孔的流量系数进行研究.结果表明:吹风比为0．5时,射流角度对气膜n流量系数的影响较小;吹风比为1．0,1．5,2．0时,射流角度从30°增大到60°,流量系数随之增大,最大增幅31％,射流角度从60°增大到90°,流量系数变化较小;气膜孔出口宽度与孔径比从1．5增大到2．5,吹风比为0．5时的流量系数变化较小;吹风比为1．0,1．5,2．0时,流量系数最大增幅为18％,并且增幅随着射流角度增大而减小;吹风比从0．5增大到2．0,流量系数最大增幅为107％;主流雷诺数对流量系数影响较小.

[关键词]

燃气轮机;气膜冷却;双向扩张孔;流量系数;吹风比;雷诺数;射流角度

涡轮是燃气轮机三大核心部件之一[1].目前大型燃气轮机的涡轮入口温度远远高于涡轮叶片材料可承受温度,因此必须采用适当的方式对其进行冷却.气膜冷却是降低涡轮叶片温度的一种有效方法,其冷却效果不仅与流体的流动状态有关,还与气膜孔的几何形状、结构参数等因素有关[2G3].借助更少的冷气达到一定的冷却效果,是研究气膜冷却的关键技术.供气不足会降低冷却效率,使得涡轮叶片区域产生高温负荷,而过度供气会导致涡轮内部冷却气体使用率较低.所以在设计新型气膜孔时,首先应在工程应用条件允许范围内,选择流量系数较大的孔型结构,这样不但可以在较小的压差下获得相同的冷气量,降低燃气轮机功耗,而且可以得到不同冷却特性设计点的压力参数.气膜孔内孔型对气膜冷却特性的影响较大,具有代表性的孔型有普通圆柱孔、圆锥形孔、簸箕形孔等[4G6].在这些文献中表明适当改变圆柱形孔的出口形状可以有效地减小孔出口的流动损失,从而提高流量系数.文献[7G8]表明气膜孔出口宽度增加有助于冷却气流展向扩散运动,增大覆盖范围,提高平均冷却效率.气膜孔出口宽度对流量系数的影响有待进一步研究.文献[9G11]研究表明改变圆柱孔的入口形状可以减小孔入口和孔内分离流动产生的局部流动损失,提高气膜孔流量系数并改善冷却特性.文献[5,12G14]研究了气膜孔入口与出口的压比、内部和外部横流马赫数等气动特性参数对气膜孔流量系数的影响.文献[15]研究了圆柱孔不同倾向角和方位角等射流角度对流量系数的影响,结果表明双向扩张孔入口扩张可以减小气膜孔内部流动损失,出口扩张可以有效提高气膜冷却效率.因此,对于一个新的气膜孔结构,需要详细地研究其流阻特性和冷却特性,而气膜孔出口宽度对流量系数的影响并未见公开报道.对此,本文采用试验的方法系统地研究了双向扩张孔在不同主流雷诺数和吹风比下,不同射流角度和出口宽度对流量系数的影响.

1试验设备及数据处理

试验在低速风洞中进行,试验系统(图1)由离心风机(分为主流和二次流)提供气源.图2为双向扩张型气膜孔模型,其试验段布置5个气膜孔,孔径为d,孔间距为3d,气膜孔入口和出口径向扩张角度β均为15°,射流角度α分别为30°,60°和90°,气膜孔入口宽度为1．5d,出口宽度W分别为1．5d,2．0d和2．5d。

2试验结果与分析

2．1吹风比和雷诺数对流量系数的影响图3为在不同主流雷诺数Re、不同射流角度α下,气膜孔n出口宽度W＝2．5d时,气膜孔n流量系数CD随吹风比Br的变化曲线.从图3可以看出,在不同工况下流量系数随吹风比变化基本相同,表明流量系数不随主流雷诺数变化而变化.α＝30°时(图3a)),Br由0．5增至2．0,流量系数CD增大0．26~0．48,增幅47％~83％,气膜孔出口宽度越大增幅越大.α＝60°时(图3b)),Br由0．5增至2．0,流量系数增大0．5~0．6,增幅91％~102％.α＝90°时(图3c)),Br由0．5增至2．0,流量系数增大0．54~0．62,增幅90％~107％.分析原因,Br对流量系数的影响主要是主流对二次流的阻塞效应.Br较小时,主流速度大于二次流速度,阻塞效应比较明显.当二次流速度接近主流速度时,主流与二次流掺混后的损失最小.在高Br情况下,二次流速度高于主流速度,主流与二次流掺混后会出现一部分掺混损失.此外,Br越大,气膜孔内二次流流速越大,孔内移动边界厚度越小,沿程损失相对较小,有效流通面积越大.所以,随着Br的增加,流量系数增大,并且增幅在Br＝1．0后相对变小.在流动损失、阻塞效应综合影响下,总流速损失变化较小,因此流量系数基本不受主流Re影响.α越大,综合影响越明显,对流量系数的影响越弱.

2．2α对流量系数的影响图4为Re＝13500不同Br和W下,流量系数随α的变化曲线.从图4可以看出,Br＝0．5时,在不同W下流量系数基本不受α的影响.Br＝1．0,1．5,2．0时,流量系数随α的变化规律大致相同,α从30°升高到60°,流量系数增加0．13~0．26,增幅13％~31％;α从60°升高到90°,最大增幅5％.这意味着双向扩张孔在实际应用中,就流阻特性而言,α从60°到90°之间加工精度对流量系数影响不大.分析原因,当Br＝0．5时,由于Br很小,所以二次流流速和流量较小,气膜孔入口和出口处的局部损失及孔内的沿程损失相应较小,主流对二次流的阻塞效应较大.随着α增大,气膜孔内流动损失减小,阻塞效应增大,总损失变化不大,因此Br＝0．5时α对流量系数的影响较小.二次流流量与流速随着Br的增大而增大,气膜孔流动损失增强,阻塞相对效应减弱.α较小时,气膜孔较长,孔内沿程损失较大,导致流量系数减小.随着α增大,气膜孔长度逐渐减小,沿程损失也逐渐减小,流量系数会逐渐增大.当α大于60°时,气膜孔长度引起的孔内沿程损失对整个流动损失影响会减弱,气膜孔入口和出口处流动分离而产生的局部损失会占主导地位.孔出口和入口有效流通面积也会随着α的增大而减小,主流对二次流阻塞效应增大.综合影响下,流动总损失变化不大,因此α从60°增至90°时,流量系数变化较小.

2．3W对流量系数的影响图5为主流Re＝10000时,在不同Br和α下,流量系数随W的变化曲线.从图5可以看出,Br＝0．5时,由于主流对二次流阻塞效应,流量系数不随W变化而变化.Br＝1．0,1．5,2．0时,W增加其对应流量系数也随之变大,并且增加趋势会随着α的增大而变得平缓.α为30°时(图5a),W从1．5d增至2．0d,流量系数最大增幅9％;W从2．0d增至2．5d,流量系数增加0．06~0．18,增幅9％~18％.α为60°时(图5b),流量系数随W的增大增幅平缓,W从1．5d到2．5d,流量系数增加0．09~0．16,增幅8％~18％.α为90°时(图5c),流量系数最大增幅不超过9％.说明双向扩张孔在实际应用中,对流阻而言,W从1．5d到2．0d之间的加工精度对流量系数影响较小.分析原因,流动损失除气膜孔出口和入口处的局部损失外,还包括孔内沿程损失,而随着W的增大,出口局部损失减小,二次流有效流通面积增大.由于流动损失中局部损失比沿程损失大得多,所以在较大Br下,α为30°时,W对应较大流量系数.α为60°时,孔长度变短,孔内沿程损失影响变弱,流动损失更依赖于W的变化,因此流量系数随着W的增大而升高的曲线变得平滑.α为90°时,出口面积相对于30°和60°时减小,主流对二次流的阻塞效应会很大,在流动损失和阻塞效应的综合影响下,总损失变化较小,使得流量系数随W的增大而增加甚微.

3结论

1)流量系数随着Br的增加而增大,Br从0．5增至2．0,最大增幅为107％;增幅随着Br的增大而减小.主流Re对流量系数的影响较小,最大增幅不超过10％,并且α越大,影响越小.2)Br＝0．5时,α对流量系数的影响较小,最大增幅不超过9％.Br＝1．0,1．5,2．0时,α从30°增大到60°,流量系数增幅13％~31％,α从60°增大到90°,流量系数变化较小.3)Br＝0．5时,W对流量系数的影响较小,最大增幅不超过10％.Br＝1．0,1．5,2．0时,流量系数随W的增大而逐渐增大,且增加趋势随着α的增大而变化平缓.W从1．5d增至2．5d,α＝30°时流量系数增幅9％~18％,α＝60°时增幅8％~18％,α＝90°时影响较小.4)根据双向扩张孔流量系数试验数据,在实际应用中,α从60°增至90°,W从1．5d增至2．0d的加工精度对流量系数影响较小.考虑工艺难度和强度因数,在该尺寸范围内,宜选择α＝90°和W＝1．5d的孔型结构.

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作者：李广超 陈钰恺 张魏 付健 单位：沈阳航空航天大学辽宁省航空推进系统先进测试技术重点实验室