發(fā)布時(shí)間：2020-05-19 11:02

【摘要】：為了獲得更高的熱效率,現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)\燃?xì)廨啓C(jī)需要不斷提高渦輪入口溫度,這會(huì)造成葉片熱負(fù)荷不斷增大,使得熱應(yīng)力增加,對(duì)葉片產(chǎn)生極大的危害,因此為了提高葉片使用壽命,保證安全運(yùn)行,采用先進(jìn)冷卻技術(shù)降低渦輪葉片溫度成為當(dāng)前發(fā)動(dòng)機(jī)研制的重點(diǎn)。在所有的強(qiáng)化換熱技術(shù)中,沖擊冷卻可以直接對(duì)高溫區(qū)域進(jìn)行高效冷卻,常被應(yīng)用于渦輪葉片前緣的冷卻中。在渦輪葉片的前緣由于射流結(jié)構(gòu)和滯止區(qū)面積的限制,研究相對(duì)困難且較少,目前關(guān)于葉片前緣沖擊冷卻的研究逐漸向精細(xì)化和強(qiáng)化換熱控制方面發(fā)展。本文以燃?xì)鉁u輪第一級(jí)動(dòng)葉前緣內(nèi)的沖擊冷卻結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象,通過實(shí)驗(yàn)測(cè)量和數(shù)值計(jì)算相結(jié)合的方法研究了射流雷諾數(shù)、射流孔位置、射流腔旋轉(zhuǎn)、靶面有無(wú)氣膜孔等參數(shù)對(duì)靶面換熱的影響,并利用渦發(fā)生器抑制橫流對(duì)射流沖擊的負(fù)面影響來(lái)強(qiáng)化靶面換熱,分析了靶面換熱規(guī)律及強(qiáng)化換熱機(jī)理。同時(shí),還對(duì)射流沖擊通道內(nèi)的非定常流動(dòng)和換熱的作用機(jī)制進(jìn)行了探索。研究結(jié)果可為設(shè)計(jì)和開發(fā)高性能的葉片前緣沖擊冷卻結(jié)構(gòu)提供理論指導(dǎo)。本文的主要內(nèi)容包括:1.設(shè)計(jì)并搭建了單排射流沖擊實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和帶橫流的單孔射流沖擊實(shí)驗(yàn)平臺(tái)�；谝痪S半無(wú)限大平板瞬態(tài)導(dǎo)熱的假設(shè),采用瞬態(tài)液晶測(cè)溫技術(shù),測(cè)量了射流沖擊凹形靶面的換熱系數(shù)。2.采用實(shí)驗(yàn)測(cè)量和數(shù)值計(jì)算相結(jié)合的方法對(duì)不同射流雷諾數(shù)下(Re_j=12000,15000和20000)射流孔位置偏移的影響進(jìn)行了對(duì)比研究,定量分析了射流孔偏移對(duì)靶面換熱的影響,揭示了靶面沖擊換熱強(qiáng)化機(jī)理。考慮動(dòng)葉前緣的沖擊冷卻會(huì)受到旋轉(zhuǎn)和氣膜孔抽吸的影響,采用數(shù)值方法分別研究了射流腔旋轉(zhuǎn)和靶面有氣膜孔對(duì)靶面換熱的影響。3.通過實(shí)驗(yàn)測(cè)量和數(shù)值計(jì)算相結(jié)合的方法研究了射流孔前的射流腔上壁面安置渦發(fā)生器對(duì)靶面換熱的影響,對(duì)比了渦發(fā)生器安置角度、安置位置、渦發(fā)生器高度、不同橫流雷諾數(shù)以及渦發(fā)生器形狀的影響,揭示了渦發(fā)生器強(qiáng)化靶面沖擊換熱的作用機(jī)理。4.采用k-ωSST-DES方法對(duì)葉片前緣沖擊冷卻進(jìn)行了非定常計(jì)算,分析了葉片前緣射流通道內(nèi)的非定常流動(dòng)和換熱特性,揭示了流場(chǎng)的不穩(wěn)定性引起壁面非定常換熱的機(jī)理。并在此基礎(chǔ)上,應(yīng)用POD和DMD兩種模態(tài)分解方法進(jìn)一步分析了射流腔內(nèi)的非定常換熱特性。
【圖文】：

圖 1-2 典型渦輪葉片內(nèi)冷卻結(jié)構(gòu)[3]Fig.1-2 Typical external and internal cooling schemes for a turbine blade[3]諸多的冷卻方式中，射流沖擊冷卻可以對(duì)高溫區(qū)域進(jìn)行直接和高效的冷卻用于渦輪葉片的內(nèi)部冷卻中。但是，由于沖擊冷卻會(huì)消弱結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，因此常力比較大的區(qū)域，如靜葉的中弦區(qū)域以及靜葉和動(dòng)葉的前緣區(qū)域。在靜葉中由于靶面曲率半徑比較大，常將靶面簡(jiǎn)化為平板結(jié)構(gòu)研究；而在動(dòng)葉前緣，小，不能簡(jiǎn)化為平板，常作為凹形靶面研究。與平板結(jié)構(gòu)相比，凹形靶面由應(yīng)的影響，，通道內(nèi)流動(dòng)和換熱復(fù)雜，研究也相對(duì)較少，因而進(jìn)一步對(duì)動(dòng)葉前冷卻進(jìn)行精細(xì)化研究具有重要意義。一方面，通過一些主動(dòng)或被動(dòng)控制方法來(lái)提高靶面沖擊換熱也是葉片沖擊中的另一個(gè)熱點(diǎn)問題。目前許多新的控制方法在不斷提出中，尤其是針對(duì)抑射流影響方面的控制方法。因此，對(duì)該類控制方法進(jìn)一步研究，可以為開發(fā)的沖擊冷卻結(jié)構(gòu)提供另一種途徑。文針對(duì)渦輪動(dòng)葉前緣沖擊冷卻通道內(nèi)的流動(dòng)和換熱開展研究，對(duì)葉片前緣參數(shù)的影響進(jìn)行精細(xì)化研究，分析靶面換熱規(guī)律及強(qiáng)化換熱機(jī)理。同時(shí)對(duì)射

學(xué)博士學(xué)位論文 第一章[4]，其單孔射流沖擊示意圖如圖 1-3 所示。從圖中可以看出，射流沖擊區(qū)域：自由射流區(qū)、滯止區(qū)和壁面射流區(qū)。當(dāng)流體從射流孔流出后，由在，射流會(huì)卷吸周圍流體一起往下游運(yùn)動(dòng)。在沖擊到壁面之前，因?yàn)槭茏饔�，射流速度急劇下降直至滯止，從而在壁面上形成四散的壁面射流個(gè)冷卻區(qū)域。此外，從圖中還可以得出，射流沖擊冷卻換熱的強(qiáng)弱將受：射流孔徑，射流孔至靶面的距離，射流雷諾數(shù)，射流角度以及射流孔 1969 年，Chupp 等人[5]通過實(shí)驗(yàn)方法在其研究模型上和測(cè)試范圍內(nèi)總上滯止區(qū)努塞爾數(shù)與一些參數(shù)的關(guān)聯(lián)式，具體見公式(1-2)。0.7 0.8 0.4stagNu 0.44 Re ( d / s ) exp[ 0.85(l / d )( d / s )( d / D) ]000 Re 15000,4 s / d 16,1 l / d 10,1.5 D / d 16。
【學(xué)位授予單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：V231.1;TK471

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2670794