【摘要】：航空,航天,航海和地面發(fā)電行業(yè)將燃?xì)廨啓C(jī)及輔機(jī)做為產(chǎn)生動(dòng)力的主要設(shè)備。當(dāng)前隨著中航發(fā)集團(tuán)的重組成立,兩機(jī)重大專項(xiàng)的落地,發(fā)展燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)已經(jīng)成為我國(guó)發(fā)展飛行器動(dòng)力、艦船動(dòng)力、能源電力等行業(yè)的關(guān)鍵。當(dāng)前設(shè)計(jì)工作者主要基于渦輪復(fù)合冷卻結(jié)構(gòu)流場(chǎng)和溫度場(chǎng)的仿真結(jié)果對(duì)渦輪葉片的模型進(jìn)行設(shè)計(jì),改型,再設(shè)計(jì)的過(guò)程。但是隨著渦輪前溫度的提高,冷卻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)越來(lái)越復(fù)雜,各種新型材料(定向凝固合金,單晶合金)應(yīng)用于渦輪葉片的制作生產(chǎn),單一的溫度場(chǎng)和流場(chǎng)的仿真結(jié)果是不夠的,我們需要綜合多物理場(chǎng)的數(shù)據(jù)從而提出更佳的設(shè)計(jì)和改型方案。在氣熱耦合驗(yàn)證方面,本文使用MarkⅡ葉型作為研究對(duì)象,對(duì)比并分析了五種湍流模型(k-ω、k-ε、sst、ssg、BSL Reynolds Stress)的氣熱耦合仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果。考慮本文中模型和實(shí)際實(shí)驗(yàn)室計(jì)算資源的情況,選取k-ω湍流模型作為渦輪葉片模型全三維氣熱耦合仿真的湍流模型。在ANSYS-CFX平臺(tái)下對(duì)已經(jīng)具備初步設(shè)計(jì)的某燃?xì)廨啓C(jī)一級(jí)渦輪動(dòng)葉進(jìn)行全三維氣熱耦合計(jì)算,分析溫度場(chǎng)云圖和流場(chǎng)云圖,提出七條改型方案。完成改型后,對(duì)改型結(jié)果進(jìn)行CFX全三維氣熱耦合仿真,從溫度分布和流動(dòng)的角度來(lái)看,改型具有明顯的效果。針對(duì)原型模型和改型模型,基于Abaqus商業(yè)有限元數(shù)值軟件進(jìn)行了熱固耦合計(jì)算,得到原型和改型渦輪葉片葉身名義應(yīng)力分布情況。熱固耦合通過(guò)Fortran語(yǔ)言編寫交接面插值程序,在Matlab下寫Abaqus有限元模型文件來(lái)實(shí)現(xiàn)。從名義應(yīng)力場(chǎng)的角度來(lái)看,之前的七處改型仍然表現(xiàn)出良好的效果。但同時(shí)原型和改型葉片也都反映出了一個(gè)共同的問(wèn)題,即冷氣入口處換熱過(guò)于劇烈,這導(dǎo)致了該處局部熱應(yīng)力集中。基于有限變形晶體塑性滑移理論,通過(guò)Abaqus子程序計(jì)算原型和改型葉片葉身最大分切應(yīng)力的分布云圖。從最大分切應(yīng)力場(chǎng)來(lái)看,之前基于流動(dòng)換熱結(jié)果的改型具有一定的效果,改型葉片模型最大分切應(yīng)力峰值相比原型有一定的下降,而且高應(yīng)力面積也有一定的下降。本文指出,改型鎳基合金渦輪葉片仍然需要針對(duì)較為明顯的正負(fù)最大分切應(yīng)力交接線進(jìn)行深入研究,開(kāi)展進(jìn)一步的改進(jìn)設(shè)計(jì)。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TK473
【圖文】：

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文除此之外，傳統(tǒng)的數(shù)值計(jì)算、分析和設(shè)計(jì)方法已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足先進(jìn)渦輪葉片合冷卻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)需求。如圖 1-2 所示，燃?xì)廨啓C(jī)的一級(jí)渦輪動(dòng)葉一般采用，蛇冷卻氣流通道、擾流肋強(qiáng)化對(duì)流、射流沖擊沖擊、氣膜冷卻以及尾緣冷卻等冷卻式[12]。過(guò)去設(shè)計(jì)者常使用單一氣熱耦合的方法來(lái)驗(yàn)證各個(gè)冷卻結(jié)構(gòu)的布置是否到了設(shè)計(jì)要求。但是單獨(dú)根據(jù)流場(chǎng)和溫度場(chǎng)的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)設(shè)計(jì)復(fù)合冷卻結(jié)構(gòu)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)夠的。由于葉片冷卻的存在，葉片內(nèi)部的溫度分布將不均勻化，溫度梯度和葉片幾何約束會(huì)導(dǎo)致葉片中的熱應(yīng)力集中。滿足葉片表面溫度分布的設(shè)計(jì)要求相對(duì)很簡(jiǎn)單的，增加氣膜孔數(shù)量和直徑或者是增加擾流肋的數(shù)量都可以輕松地達(dá)到計(jì)目標(biāo)，但是沒(méi)有應(yīng)力場(chǎng)的考量的話其設(shè)計(jì)過(guò)程也會(huì)不完全合理的。因此提出一針對(duì)渦輪動(dòng)葉熱應(yīng)力分析和強(qiáng)度分析的方法能夠?yàn)槿細(xì)廨啓C(jī)渦輪動(dòng)葉復(fù)合冷卻構(gòu)的設(shè)計(jì)提出指導(dǎo)性的建議。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文1.2 主要的渦輪冷卻技術(shù)概述通過(guò)圖 1-3，我們可以發(fā)現(xiàn)，渦輪前溫度隨著復(fù)合冷卻結(jié)構(gòu)的發(fā)展不斷提高。同時(shí)，燃?xì)廨啓C(jī)的整體性能與渦輪前溫度密切相關(guān)，極小的溫度差便會(huì)導(dǎo)致燃機(jī)性能上完全不同的表現(xiàn)。因此為了提升燃機(jī)渦輪前溫度，燃?xì)鉁u輪冷卻技術(shù)也有了快速的發(fā)展。燃?xì)鉁u輪的冷卻方式分為被動(dòng)方式與主動(dòng)方式，被動(dòng)冷卻通過(guò)提升渦輪葉片材料性能的方式來(lái)提高燃機(jī)性能，包括有使用高強(qiáng)度耐高溫材料鑄造渦輪葉身，在葉片表面覆蓋熱障涂層等方式。熱障涂層一般具有極強(qiáng)的隔熱性能，可以阻止高溫燃?xì)庵苯記_擊葉身實(shí)體，保護(hù)葉片中的承力部分。涂層的表層通常覆蓋一層陶瓷材料，這是涂層中的關(guān)鍵層，表層材料一般有高熱反射率、低熱導(dǎo)、高熔點(diǎn)、低密度等特點(diǎn)，同時(shí)具有穩(wěn)定的高溫性能。在機(jī)械性能上，熱障涂層與葉片主體相適應(yīng)的熱脹系數(shù)以及高強(qiáng)度和優(yōu)秀的機(jī)械性能[14]。

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2736017