关于冲击-气膜复合冷却结构的数值分析研究（2009年）

简介：
本研究对冲击-气膜复合冷却结构进行深入的数值模拟与分析，旨在优化航空发动机热防护系统性能，提高其在高温环境下的稳定性和效率。 本段落研究了六种不同的“冲击-气膜”复合式冷却结构在燃气轮机涡轮导向器叶片中的应用效果，并对其内部流体的流动与换热进行了数值模拟，计算条件基于某型号燃气轮机的典型工况，同时考虑了温度对流体物性参数的影响。研究发现： 1. 冲击孔和气膜孔沿展向的不同排列形式显著影响冷却效率；叉排方式优于顺排。 2. 随着冲击孔位置后移，腔内壁覆盖面积减小、冷却效果降低且流阻增大。 3. 在多种因素共同作用下，气膜孔角度及所在面曲率对冷却效果和流阻的影响被削弱。 ### 冷却结构概述 “冲击-气膜”复合式冷却技术结合了高速气体冲击叶片表面以产生局部强冷效应的冲击冷却与形成保护性空气层减少高温主流接触的气膜冷却，旨在降低叶片温度并提高整体燃气轮机性能。 #### 结构参数分析 **排列形式** 叉排方式相较于顺排，在利用气流相互作用增强冷却效果方面更优，并且可以减小总的冷却气体流量需求。 **冲击孔位置** 当冲击孔后移时，腔内壁覆盖面积减少、冷却效率下降及流阻增加。因此设计中需权衡两者关系进行优化选择。 **气膜孔角度和曲率** 虽然这些参数对冷却效果有一定影响，但在复杂工况下这种影响被削弱了，故可通过调整其他关键因素来达到最佳性能目标。 #### 数值模拟与结果分析 通过数值方法详细研究六种不同“冲击-气膜”结构，并基于实际工作条件进行对比。主要结论如下： 1. 叉排方式冷却效率更高。 2. 冲击孔位置后移将导致冷却效果下降及流阻增加。 3. 气膜孔角度和曲率的影响在复杂条件下被削弱。 #### 结论与展望 研究结果为燃气轮机涡轮导向器叶片提供了一种新的高效冷却方案。“冲击-气膜”结构通过优化设计参数，在保证良好冷却性能的同时减少空气需求量，从而提升整体设备效率。未来可进一步探索更多影响因素，并尝试将该技术应用于航空发动机等其他高温设备的冷却系统中。