雙向擴張型孔射流流量系數(shù)試驗范文

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《熱力發(fā)電雜志》2015年第十一期

[摘要]

為了探索雙向擴張氣膜孔的流阻特性,提高燃氣輪機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,通過試驗方法對不同射流角度和氣膜孔出口寬度下孔的流量系數(shù)進行研究.結(jié)果表明:吹風(fēng)比為0．5時,射流角度對氣膜n流量系數(shù)的影響較小;吹風(fēng)比為1．0,1．5,2．0時,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時的流量系數(shù)變化較小;吹風(fēng)比為1．0,1．5,2．0時,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)對流量系數(shù)影響較小.

[關(guān)鍵詞]

燃氣輪機;氣膜冷卻;雙向擴張孔;流量系數(shù);吹風(fēng)比;雷諾數(shù);射流角度

渦輪是燃氣輪機三大核心部件之一[1].目前大型燃氣輪機的渦輪入口溫度遠遠高于渦輪葉片材料可承受溫度,因此必須采用適當?shù)姆绞綄ζ溥M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).供氣不足會降低冷卻效率,使得渦輪葉片區(qū)域產(chǎn)生高溫負荷,而過度供氣會導(dǎo)致渦輪內(nèi)部冷卻氣體使用率較低.所以在設(shè)計新型氣膜孔時,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,降低燃氣輪機功耗,而且可以得到不同冷卻特性設(shè)計點的壓力參數(shù).氣膜孔內(nèi)孔型對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].在這些文獻中表明適當改變圓柱形孔的出口形狀可以有效地減小孔出口的流動損失,從而提高流量系數(shù).文獻[7G8]表明氣膜孔出口寬度增加有助于冷卻氣流展向擴散運動,增大覆蓋范圍,提高平均冷卻效率.氣膜孔出口寬度對流量系數(shù)的影響有待進一步研究.文獻[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)分離流動產(chǎn)生的局部流動損失,提高氣膜孔流量系數(shù)并改善冷卻特性.文獻[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)等氣動特性參數(shù)對氣膜孔流量系數(shù)的影響.文獻[15]研究了圓柱孔不同傾向角和方位角等射流角度對流量系數(shù)的影響,結(jié)果表明雙向擴張孔入口擴張可以減小氣膜孔內(nèi)部流動損失,出口擴張可以有效提高氣膜冷卻效率.因此,對于一個新的氣膜孔結(jié)構(gòu),需要詳細地研究其流阻特性和冷卻特性,而氣膜孔出口寬度對流量系數(shù)的影響并未見公開報道.對此,本文采用試驗的方法系統(tǒng)地研究了雙向擴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流量系數(shù)的影響.

1試驗設(shè)備及數(shù)據(jù)處理

試驗在低速風(fēng)洞中進行,試驗系統(tǒng)(圖1)由離心風(fēng)機(分為主流和二次流)提供氣源.圖2為雙向擴張型氣膜孔模型,其試驗段布置5個氣膜孔,孔徑為d,孔間距為3d,氣膜孔入口和出口徑向擴張角度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試驗結(jié)果與分析

2．1吹風(fēng)比和雷諾數(shù)對流量系數(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,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(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(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(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對流量系數(shù)的影響主要是主流對二次流的阻塞效應(yīng).Br較小時,主流速度大于二次流速度,阻塞效應(yīng)比較明顯.當二次流速度接近主流速度時,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)移動邊界厚度越小,沿程損失相對較小,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后相對變小.在流動損失、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,對流量系數(shù)的影響越弱.

2．2α對流量系數(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,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,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％.這意味著雙向擴張孔在實際應(yīng)用中,就流阻特性而言,α從60°到90°之間加工精度對流量系數(shù)影響不大.分析原因,當Br＝0．5時,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,主流對二次流的阻塞效應(yīng)較大.隨著α增大,氣膜孔內(nèi)流動損失減小,阻塞效應(yīng)增大,總損失變化不大,因此Br＝0．5時α對流量系數(shù)的影響較小.二次流流量與流速隨著Br的增大而增大,氣膜孔流動損失增強,阻塞相對效應(yīng)減弱.α較小時,氣膜孔較長,孔內(nèi)沿程損失較大,導(dǎo)致流量系數(shù)減小.隨著α增大,氣膜孔長度逐漸減小,沿程損失也逐漸減小,流量系數(shù)會逐漸增大.當α大于60°時,氣膜孔長度引起的孔內(nèi)沿程損失對整個流動損失影響會減弱,氣膜孔入口和出口處流動分離而產(chǎn)生的局部損失會占主導(dǎo)地位.孔出口和入口有效流通面積也會隨著α的增大而減小,主流對二次流阻塞效應(yīng)增大.綜合影響下,流動總損失變化不大,因此α從60°增至90°時,流量系數(shù)變化較小.

2．3W對流量系數(shù)的影響圖5為主流Re＝10000時,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,由于主流對二次流阻塞效應(yīng),流量系數(shù)不隨W變化而變化.Br＝1．0,1．5,2．0時,W增加其對應(yīng)流量系數(shù)也隨之變大,并且增加趨勢會隨著α的增大而變得平緩.α為30°時(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(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(圖5c),流量系數(shù)最大增幅不超過9％.說明雙向擴張孔在實際應(yīng)用中,對流阻而言,W從1．5d到2．0d之間的加工精度對流量系數(shù)影響較小.分析原因,流動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,W對應(yīng)較大流量系數(shù).α為60°時,孔長度變短,孔內(nèi)沿程損失影響變?nèi)?流動損失更依賴于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,出口面積相對于30°和60°時減小,主流對二次流的阻塞效應(yīng)會很大,在流動損失和阻塞效應(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,α對流量系數(shù)的影響較小,最大增幅不超過9％.Br＝1．0,1．5,2．0時,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,W對流量系數(shù)的影響較小,最大增幅不超過10％.Br＝1．0,1．5,2．0時,流量系數(shù)隨W的增大而逐漸增大,且增加趨勢隨著α的增大而變化平緩.W從1．5d增至2．5d,α＝30°時流量系數(shù)增幅9％~18％,α＝60°時增幅8％~18％,α＝90°時影響較小.4)根據(jù)雙向擴張孔流量系數(shù)試驗數(shù)據(jù),在實際應(yīng)用中,α從60°增至90°,W從1．5d增至2．0d的加工精度對流量系數(shù)影響較小.考慮工藝難度和強度因數(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：沈陽航空航天大學(xué)遼寧省航空推進系統(tǒng)先進測試技術(shù)重點實驗室