【摘 要】
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气膜冷却是保护航空发动机热端部件的重要手段,良好的气膜孔结构可以在减少冷气消耗的同时,还能引导气流更好的覆盖在叶片表面以提高气膜冷却的效果。气膜冷却孔的长径比越小,结构对冷却气流的流动影响越剧烈,目前随着内冷结构越发复杂,气膜孔所在的壁面厚度会越小,孔型结构的影响越发不容忽视。本文梳理了气膜孔的冷却机理,着重分析了角度因素对气膜冷却的影响,在研究了孔型发展方向后提出一种易加工的新型孔:波纹孔,并按
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气膜冷却是保护航空发动机热端部件的重要手段,良好的气膜孔结构可以在减少冷气消耗的同时,还能引导气流更好的覆盖在叶片表面以提高气膜冷却的效果。气膜冷却孔的长径比越小,结构对冷却气流的流动影响越剧烈,目前随着内冷结构越发复杂,气膜孔所在的壁面厚度会越小,孔型结构的影响越发不容忽视。本文梳理了气膜孔的冷却机理,着重分析了角度因素对气膜冷却的影响,在研究了孔型发展方向后提出一种易加工的新型孔:波纹孔,并按支孔位置分为单波纹孔和双波纹孔。结合圆柱孔、B型扇形孔以及猫耳孔,对波纹孔进行仿真和横向对比分析,结合支孔的位置不同对波纹孔进行纵向冷却机理分析。结果发现:低吹风比下单波纹孔的冷却效率和双波纹孔一致,为五种孔型中最好;高吹风比下双波纹孔综合最好,M=1.5时双波纹孔在中心线上的冷却效率相比扇形孔提高58%,展向平均冷却效率相比扇形孔提高50%。波纹孔良好的冷却能力是因为不同位置的支孔耦合结构产生的收缩段和扩张段导致的,冷却气流通过不同位置会受到顺压梯度和逆压梯度的影响,导致出口速度小且分布合理。支孔结构会使孔后具有三个鞍点,极大降低两侧逆流区的掺混能力,导致肾型涡的涡心距离变大,涡心高度降低,促进气膜紧贴壁面,极大提高了孔后气膜冷却效果。基于未来对冷却结构的要求、孔型加工等综合考虑,选择单波纹孔进行多参数分析。角度参数的选择基于研究现状的总结,主要讨论主孔的倾斜角α、支孔的扩展角β和后倾角γ变化对平板表面冷却效率的影响。在研究参数范围内,α=20°最优,随倾斜角变大,科恩达效应越明显,出口速度越低,气膜覆盖越好,M=1.5时α=20°的面冷却效率还能达到0.21,是其余孔型的3.5倍;β=20°最优,随扩展角变大,涡心距离依次变大,高度依次降低,M=0.5时展向冷却效率会依次提高15%左右,M=1.5时β=20°孔后的冷却效率相比其余孔型有极大提高;γ=10°最优,随后倾角变大,孔型的结构耦合加大导致内部结构外延,这强化了孔内的科恩达效应,极大的降低出口的向上动量,大大提高中心线附近的气膜覆盖能力,但也降低了气膜的横向覆盖能力。
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