收稿日期：２０16-1２-13
基金项目：国家自然科学基金（５167０４13８５），陕西省教育厅专项科研计划项目（16JK1611）。 作者简介：
郑 杰（1９８7-），男，汉族，甘肃平凉，讲师，博士。研究方向：涡轮叶片高温部件、微尺度结构的冷却及强化换热技术。涡轮叶片尾缘典型结构的流动与换热特性研究郑 杰1，张雅荣２，窦益华1，李明飞1（1西安石油大学机械工程学院，西安71００6５；２西安交通大学数学与统计学院，西安71００４９）摘要：针对涡轮叶片尾缘“冲击＋扰流柱”复合典型冷却结构，通过分析内部流场和换热特性，揭示“冲击＋扰流柱”冷却结构中流动发展的过程以及冲击对压力分布和流场分布的影响，揭示涡轮叶片尾缘区内射流冲击扰流柱排通道内换热机理，详细分析了冲击下各个表面的换热情况。结果表明，压比的增大能够有效改善冷却通道端壁的换热性能，但同时增大了压力损失；在两种冲击距离下，n ＝3d 换热效果优于n ＝6d ，但是n ＝6d 的下游换热覆盖效果优于n ＝3d 。顺排时，冲击孔的平均换热系数大约是扰流柱的1.５倍；叉排时，冲击孔的平均换热系数大约是扰流柱的3倍，而其它部位的平均换热系数受排列方式的影响很小。因此，“冲击＋扰流柱”冷却结构的匹配，对于优化涡轮叶片尾缘区域的换热及其重要。关键词：冲击；扰流柱；换热系数；数值模拟
分类号：
V２31.1 文献标识码：A 文章编号：1００1-５８８４（２０17）０４-０２61-０４Investigation on Flow Characteristics and Heat Transfer Performances of Typical Constructions
of Turbine Blade Trailing Edge
ZHENG Jie 1，ZHANG Ya-rong ２，DOU Yi-hua 1，LI Ming-fei 1（
1School of Mechanical Engineering ，Xi＇an Shiyou University ，Xi＇an ，71００6５，China ；２School of Mathematics and Statistics ，Xi＇an jiaotong University ，Xi＇an 71００４９，China ）
Abstract ：This paper investigates the “impingement ＋cylinders ”of the trailing edge of turbine blade and analyzes the flow fields and heat transfer characteristics.It reveals the flow development process on the “impingement ＋cylinders ”cooling configuration ，and it shows the flow fields and the pressure distributions and reveals the heat transfer mechanism of array jet impingement for the turbine blade trailing edge ，and analyses the heat transfer on each surface in detail.The results have shown that the heat transfer characteristics can be effectively improved when the pressure ratios increase at the endwall ，but the pressure loss is increased.At the two kinds of the impingement distance ，the heat transfer of the n ＝3d is better than n ＝6d ，but the downstream heat transfer coverage of n ＝6d is better than n ＝3d .The average heat transfer coefficient of the impingement hole is about 1.５times that of the cylinders in in-line ，but the average heat transfer coefficient of the impingement hole is about 3times that of the cylinders in staggered ，while the arrangement have a small influence for the average heat transfer coefficient of other parts.Therefore ，it is important for matching the “impingement ＋cylinders ”cooling structure to optimize the heat transfer in the turbine blade trailing edge region.
Key words ：impingement ；cylinders ；heat transfer ；
numerical simulation ０ 前 言
“冲击＋扰流柱”因其固有的强化传热和结构特征在涡轮叶片尾缘的冷却结构中起着十分重要的作用。众所周知，射流冲击强化换热效果很好，但射流冲击的流动阻力和气动损失较大，国内外的研究人员已开展了许多扰流元几何结构的优化研究工作，Vanfossen 等实验研究得到叉排短扰流柱比长扰流柱传递的能量更少[1]。Coletti 等针对尾缘采用冲击和肋片的冷却结构，研究了绝热测量结果受耦合热边界条件的影响[２
]。Chyu 等研究了扰流柱长径比对叉排扰流柱排列
方式下的换热情况[3]。文献[４，５]研究了短扰流柱排和小高径比扰流柱的换热和流动特性，贾静等研究了涡轮叶片尾缘扰流柱对换热的影响[6]，谭晓茗等针对涡轮叶片尾缘的异形扰流柱流动换热进行了实验研究[7]，邓宏武[８]和白琰[９]分别对涡轮叶片尾缘复合通道的流动与换热特性进行了研究。本文在此基础之上，展开涡轮叶片尾缘“冲击＋扰流柱”复合冷却结构的热分析与流场分析，获得尾缘冲击扰流结构相关数据，揭示其换热流动机理，从而为高温涡轮叶片冷却能力的提升设计提供参考依据。1 计算模型叶片尾缘“冲击＋扰流柱”复合冷却结构计算模型由前第５９卷第４期
汽 轮 机 技 术
Vol.５９No.４２０17年８月TURBINE TECHNOLOGY Aug.２０17
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