【摘要】：隨著高效燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)的發(fā)展,渦輪入口燃?xì)鉁囟纫蟛粩嗌?在耐高溫材料不足以承受燃?xì)鉁囟鹊那闆r下,只有采用有效的渦輪部件熱防護(hù)措施才能滿足設(shè)計(jì)需求。常用的渦輪葉片冷卻結(jié)構(gòu)有外部的氣膜冷卻和內(nèi)部的擾流冷卻、沖擊冷卻等,現(xiàn)代渦輪葉片常常采用多種結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)復(fù)合冷卻的方式。此外對(duì)于渦輪動(dòng)葉來(lái)說(shuō),在承受高溫的同時(shí)還處于高轉(zhuǎn)速環(huán)境,在設(shè)計(jì)內(nèi)部冷卻方案時(shí)必須考慮哥氏力等額外作用力對(duì)換熱的影響。本文專(zhuān)注于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下渦輪動(dòng)葉的內(nèi)部冷卻研究,借助數(shù)值模擬方法研究了葉片內(nèi)部帶肋通道、沖擊射流和擾流柱冷卻這三個(gè)典型內(nèi)冷結(jié)構(gòu)在旋轉(zhuǎn)條件下的流動(dòng)換熱機(jī)理,提出了有利于增強(qiáng)內(nèi)部冷卻性能并提高換熱均勻性的內(nèi)冷設(shè)計(jì)。本文通過(guò)對(duì)寬高比為0.5并且前后緣壁面的對(duì)稱(chēng)面與旋轉(zhuǎn)軸夾角為45°的旋轉(zhuǎn)通道內(nèi)部換熱研究發(fā)現(xiàn),連續(xù)肋方案中傾斜角相同但傾斜方向不同的擾流肋,會(huì)在哥氏力作用下造成相反的換熱結(jié)果,當(dāng)哥氏力沿肋方向的分量,與肋方向相同時(shí),哥氏力產(chǎn)生的旋渦可以和該傾斜方向的擾流肋誘導(dǎo)的旋渦相互促進(jìn),使前緣面被哥氏力削弱的換熱得到恢復(fù),達(dá)到與后緣面換熱相接近的程度,反之哥氏力沿肋方向的分量,與肋方向相反時(shí),哥氏力與擾流肋的抵消作用使前后緣壁面換熱減弱。而在間斷肋方案的研究中發(fā)現(xiàn)合適的間斷肋方案可以顯著增強(qiáng)靠近內(nèi)側(cè)壁區(qū)間的前緣壁面換熱,當(dāng)流向肋間距增大時(shí),換熱性能逐漸降低;內(nèi)側(cè)擾流肋角度從30°增加到90°時(shí),通道內(nèi)流阻及前緣面上的換熱先增大后減小;橫向肋間距增大導(dǎo)致流阻和換熱均下降。本文通過(guò)研究哥氏力對(duì)射流沖擊換熱的影響機(jī)制發(fā)現(xiàn),旋轉(zhuǎn)效應(yīng)產(chǎn)生的周向哥氏力帶動(dòng)徑向橫流向后緣面偏移,使靶面換熱逐漸降低;調(diào)節(jié)射流孔的徑向或周向傾角可以修正射流方向來(lái)抵消徑向橫流以及橫向哥氏力的作用,有助于換熱均勻性的提升但對(duì)換熱增強(qiáng)沒(méi)有明顯幫助;將射流孔形狀改進(jìn)為跑道形時(shí)有利于抵消徑向橫流,使射流穿透橫流的能力增強(qiáng)從而提高在靶面的沖擊效果;使用雙旋渦通道可以顯著提升通道靶面上的換熱,該通道內(nèi)形成的旋渦有效地抵消哥氏力的不利影響,增大了高換熱區(qū)域的面積。本文通過(guò)對(duì)旋轉(zhuǎn)尾緣通道內(nèi)的擾流換熱研究發(fā)現(xiàn),傾斜擾流柱有助于增加擾流柱尾跡區(qū)域二次流強(qiáng)度,提高近壁區(qū)被加熱的氣體與主流區(qū)低溫氣體間的摻混和熱量交換,并防止了熱邊界層過(guò)厚導(dǎo)致的熱阻增大,選擇合理的傾斜方向有助于抵消哥氏力的不利作用;圓柱凸方案的使用也有利于提升尾跡區(qū)二次流強(qiáng)度,并對(duì)降低通道流阻作用明顯;圓臺(tái)方案的研究表明圓臺(tái)根部的鈍角型壁面夾角強(qiáng)化了能增強(qiáng)局部換熱的馬蹄渦,因此將鈍角側(cè)布置在換熱弱的吸力側(cè)的方案更有利于均勻提高兩側(cè)壁面的換熱。本文最終將研究的各部位冷卻結(jié)構(gòu)單元應(yīng)用于某一典型渦輪動(dòng)葉葉型并進(jìn)行了全三維流固耦合計(jì)算�？傮w來(lái)看,各個(gè)基本單元內(nèi)研究所得的換熱分布規(guī)律在該渦輪動(dòng)葉內(nèi)依然成立:使用無(wú)量綱流向肋間距為0.2的間斷肋方案比對(duì)應(yīng)的連續(xù)肋方案換熱能力強(qiáng);雙旋渦通道射流從沖擊孔到達(dá)靶面的行程短并且橫流高速區(qū)遠(yuǎn)離前緣靶面,特別是對(duì)壓力側(cè)換熱有顯著的提升效果,一定程度上抵消了哥氏力的不利影響;在尾緣處,僅從增強(qiáng)換熱的角度出發(fā),傾斜圓柱凸方案的換熱性能最佳。
【圖文】：

大的冷卻效果的特點(diǎn)，能夠最大限度的降低渦輪葉片等熱端部件結(jié)構(gòu)的壁面最高溫度以及溫差造成的熱應(yīng)力。圖1-1 渦輪進(jìn)口溫度發(fā)展與葉片冷卻技術(shù)發(fā)展[4]Fig. 1-1 The development of gas turbine inlet temperature and the cooling technique影響渦輪葉片內(nèi)部換熱效果的因素很多，除幾何參數(shù)（如通道截面形狀、擾流肋柱形狀、沖擊孔和靶面形狀、以及各個(gè)冷卻單元之間的間距和排布方式等）外，還與冷氣參數(shù)（如雷諾數(shù)）有關(guān)。除此之外，考慮到動(dòng)葉在旋轉(zhuǎn)條件下工作，還要考慮到旋轉(zhuǎn)參數(shù)（如旋轉(zhuǎn)數(shù)，離心力，，浮力數(shù)，旋轉(zhuǎn)通道方向角等）對(duì)換熱的影響。渦輪動(dòng)葉作為燃?xì)廨啓C(jī)中的一個(gè)熱端部件，工作在高溫、高壓、高轉(zhuǎn)速以及高葉片負(fù)荷的惡劣環(huán)境中，在受到高溫燃?xì)庋趸治g的同時(shí)，葉片內(nèi)部還受到氣動(dòng)應(yīng)力、離心應(yīng)力以及熱應(yīng)力等作用力，可以說(shuō)設(shè)計(jì)可靠的渦輪動(dòng)葉冷卻方案，在高效降低渦輪葉片溫度的同時(shí)提高換熱的均勻性

第 1 章 緒 論- 3 -圖1-2 渦輪靜葉冷卻示意圖[5]Fig. 1-2 Turbine vane cooling schematic圖1-3 渦輪動(dòng)葉冷卻示意圖：(a)外部冷卻 (b)內(nèi)部冷卻[6]Fig. 1-3 Turbine blade cooling schematic (a) External cooling (b) Internal cooling1.2 國(guó)內(nèi)外研究發(fā)展現(xiàn)狀Rudey[7]指出，在未來(lái)使用空氣等其他氣體作為冷卻介質(zhì)，配合空心葉片內(nèi)部的復(fù)合冷卻結(jié)構(gòu)，仍然是燃?xì)廨啓C(jī)熱端部件熱防護(hù)的主要手段，目前先進(jìn)的渦輪動(dòng)葉復(fù)合冷卻結(jié)構(gòu)主要包含三個(gè)內(nèi)部冷卻區(qū)域：葉片的中弦區(qū)主要采用帶有擾流肋的回轉(zhuǎn)通道，葉片前緣多采用沖擊冷卻射流，而尾緣部分則采用擾流柱形式的冷卻。擾流肋和擾流柱增強(qiáng)換熱的基本原理是增大換熱面的粗糙度，使冷卻氣體湍流運(yùn)動(dòng)加劇，通過(guò)強(qiáng)化對(duì)流來(lái)促進(jìn)近壁面被加熱的氣體和中心低區(qū)溫氣體間質(zhì)量
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類(lèi)號(hào)】：TK471

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 王輝;田淑青;鄧宏武;;高旋轉(zhuǎn)數(shù)下不同通道轉(zhuǎn)角帶肋回轉(zhuǎn)通道的換熱特性[J];航空動(dòng)力學(xué)報(bào);2015年10期

2 陳豪;鄧宏武;李洋;田淑青;;高旋轉(zhuǎn)數(shù)下45°斜肋回轉(zhuǎn)通道平均換熱特性研究[J];推進(jìn)技術(shù);2015年09期

3 鄧宏武;程俊華;陳豪;田淑青;;高旋轉(zhuǎn)數(shù)下光滑回轉(zhuǎn)通道的換熱特性[J];北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào);2014年05期

4 鄧宏武;潘文艷;陶智;丁水汀;;開(kāi)槽交錯(cuò)肋通道換熱和流阻特性[J];北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào);2007年10期

5 丁水汀;秦嶺;鄧宏武;陶智;徐國(guó)強(qiáng);林宇震;;交錯(cuò)肋通道換熱和流阻特性的研究[J];航空動(dòng)力學(xué)報(bào);2007年02期

6 劉傳凱;陶智;丁水汀;徐國(guó)強(qiáng);鄧宏武;;旋轉(zhuǎn)光滑及帶肋U形通道的局部換熱特性[J];航空學(xué)報(bào);2006年05期

7 鄧宏武,魏U

本文編號(hào)：2674594