本文關(guān)鍵詞：燃?xì)鉁u輪葉片尾緣冷卻結(jié)構(gòu)的參數(shù)化設(shè)計(jì)及數(shù)值分析

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【摘要】：燃?xì)廨啓C(jī)在航空、船舶及發(fā)電領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛,隨著社會的發(fā)展,燃機(jī)技術(shù)也在不斷發(fā)展,而提高渦輪前溫度是提高燃機(jī)性能的重要措施之一,但隨之帶來了葉片材料無法耐受高溫的問題,要確保燃機(jī)正常運(yùn)行,就需要采用先進(jìn)的冷卻技術(shù)。葉片尾緣冷卻受限于空間狹小,具有溫度高及應(yīng)力集中的特點(diǎn),導(dǎo)致冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)困難,在設(shè)計(jì)冷卻葉片時(shí)需要特別重視。其次葉片冷卻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是一個(gè)“設(shè)計(jì)-校核-改進(jìn)”的迭代過程,需要不斷的修改和優(yōu)化,這勢必會導(dǎo)致設(shè)計(jì)過程費(fèi)時(shí)費(fèi)力,所以有必要提出一種高效的設(shè)計(jì)方法。為提高設(shè)計(jì)效率,本文基于已有的葉片前緣及中部冷卻結(jié)構(gòu)參數(shù)化建模的基礎(chǔ),搭建了復(fù)合冷卻結(jié)構(gòu)參數(shù)化設(shè)計(jì)優(yōu)化平臺,其基本思想為:將葉片冷卻結(jié)構(gòu)化整為零,分析冷卻結(jié)構(gòu)的特征參數(shù),確定冷卻結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)流程及方法,編寫Matlab程序?qū)崿F(xiàn)參數(shù)化方法功能,編寫NX二次開發(fā)程序?qū)崿F(xiàn)結(jié)構(gòu)造型功能,利用平臺調(diào)用二次開發(fā)程序即可實(shí)現(xiàn)快速建模與優(yōu)化,可大幅度減少設(shè)計(jì)成本,提高設(shè)計(jì)效率。首先,本文提出并建立了半/全劈縫、圓形/水滴形擾流柱群、旋流冷卻結(jié)構(gòu)及新型三維尾緣冷卻結(jié)構(gòu)-編織結(jié)構(gòu)的參數(shù)化設(shè)計(jì)方法;其次利用參數(shù)化設(shè)計(jì)平臺,基于某燃機(jī)一級靜葉分別構(gòu)建了四種不同尾緣結(jié)構(gòu)的復(fù)合冷卻葉片,葉身冷卻特征包括:氣膜孔、沖擊孔、繞流肋和隔板等結(jié)構(gòu);尾緣結(jié)構(gòu)分別是:半劈縫+圓形/水滴形擾流柱群、旋流冷卻及編織結(jié)構(gòu);最后對復(fù)合冷卻葉片進(jìn)行氣熱耦合數(shù)值計(jì)算,分析了尾緣結(jié)構(gòu)的冷卻機(jī)理。當(dāng)尾緣為擾流柱群結(jié)構(gòu)時(shí),葉片在復(fù)合冷卻的作用下,除尾緣葉根處存在局部高溫區(qū)外,葉片溫度達(dá)到了設(shè)計(jì)要求;水滴擾流柱群相比圓形擾流柱群結(jié)構(gòu)壓力損失系數(shù)低42.9%,葉片后腔冷氣進(jìn)口壓力更低,后腔氣膜孔出流流量更大;圓形柱群內(nèi)部由于馬蹄渦與通道渦的影響具有更強(qiáng)的換熱能力,但水滴形柱群的綜合換熱系數(shù)相對圓形柱群高47.07%,應(yīng)用價(jià)值更高。尾緣旋流沖擊結(jié)構(gòu)與編織結(jié)構(gòu)具有更高的壓力損失系數(shù),尾緣冷氣出流流量進(jìn)一步減小,后腔氣膜孔出流流量更大。旋流沖擊結(jié)構(gòu)中換熱能力為沖擊通道旋流腔收縮通道,流動在旋流腔內(nèi)形成縱渦,叉排沖擊通道使流體沖擊后充分混合,上述因素增強(qiáng)了換熱;編織結(jié)構(gòu)相比旋流結(jié)構(gòu)葉片尾緣吸力側(cè)溫度降低,高溫區(qū)面積減小;編織通道的彎曲特性增大了換熱的長度及面積,流動通道不斷交匯和分離使得冷氣充分混合,在下游通道內(nèi)形成復(fù)雜的渦系,上述因素增強(qiáng)了通道的換熱;編織結(jié)構(gòu)在展向與流向的換熱均勻,綜合以上優(yōu)點(diǎn)可知編織結(jié)構(gòu)應(yīng)用價(jià)值更高。本文的成果對復(fù)合冷卻葉片的設(shè)計(jì)與研究具有一定的參考價(jià)值。
【關(guān)鍵詞】：燃?xì)廨啓C(jī) 尾緣冷卻 參數(shù)化設(shè)計(jì) 氣熱耦合
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TK472
【目錄】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 緒論9-22
• 1.1 研究背景及意義9-11
• 1.2 葉片尾緣冷卻結(jié)構(gòu)的國外研究現(xiàn)狀11-15
• 1.3 葉片尾緣冷卻結(jié)構(gòu)的國內(nèi)研究現(xiàn)狀15-17
• 1.4 參數(shù)化設(shè)計(jì)17-20
• 1.4.1 研究現(xiàn)狀17-19
• 1.4.2 UG二次開發(fā)19-20
• 1.5 國內(nèi)外文獻(xiàn)綜述的簡析20
• 1.6 本文的研究目的及主要內(nèi)容20-22
• 第2章 數(shù)值計(jì)算理論22-33
• 2.1 引言22
• 2.2 湍流模型22-26
• 2.2.1 渦粘系數(shù)法湍流模型23-25
• 2.2.2 壁面函數(shù)25-26
• 2.3 氣熱耦合26-27
• 2.4 數(shù)值驗(yàn)證27-30
• 2.4.1 計(jì)算模型27-29
• 2.4.2 數(shù)值與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比29-30
• 2.5 本文數(shù)據(jù)分析方法30-32
• 2.6 本章小結(jié)32-33
• 第3章 葉片尾緣冷卻結(jié)構(gòu)的參數(shù)化設(shè)計(jì)33-50
• 3.1 引言33
• 3.2 復(fù)合冷卻葉片參數(shù)化設(shè)計(jì)平臺33-35
• 3.2.1 參數(shù)化設(shè)計(jì)流程34
• 3.2.2 NX二次開發(fā)流程34-35
• 3.3 劈縫參數(shù)化方法35-37
• 3.3.1 半劈縫創(chuàng)建方法35-36
• 3.3.2 全劈縫創(chuàng)建方法36-37
• 3.4 擾流柱參數(shù)化方法37-42
• 3.4.1 圓柱形擾流柱參數(shù)化方法37-39
• 3.4.2 水滴形擾流柱生成步驟及方法39-42
• 3.5 旋流沖擊冷卻結(jié)構(gòu)參數(shù)化方法42-45
• 3.6 編織冷卻結(jié)構(gòu)參數(shù)化方法45-49
• 3.7 本章小結(jié)49-50
• 第4章 尾緣擾流柱設(shè)計(jì)的復(fù)合冷卻葉片氣熱耦合研究50-75
• 4.1 引言50
• 4.2 復(fù)合冷卻葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)50-56
• 4.2.1 葉片前緣及中部冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)51-54
• 4.2.2 擾流柱尾緣冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)54-56
• 4.3 網(wǎng)格劃分及模型建立56-60
• 4.3.1 網(wǎng)格劃分57-59
• 4.3.2 計(jì)算模型及邊界條件59-60
• 4.4 尾緣擾流柱設(shè)計(jì)的復(fù)合冷卻葉片的氣熱耦合結(jié)果分析60-74
• 4.4.1 尾緣冷卻結(jié)構(gòu)對葉片整體及后腔的影響60-64
• 4.4.2 不同擾流柱通道的換熱冷卻分析64-68
• 4.4.3 不同擾流柱通道的流場特性分析68-73
• 4.4.4 綜合性能評估及對該葉片的結(jié)構(gòu)建議73-74
• 4.5 本章小結(jié)74-75
• 第5章 新型高效擾流結(jié)構(gòu)在葉片尾緣的應(yīng)用75-95
• 5.1 引言75
• 5.2 帶旋流沖擊尾緣結(jié)構(gòu)的冷卻葉片氣熱耦合計(jì)算75-84
• 5.2.1 旋流沖擊尾緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與模型建立75-77
• 5.2.2 旋流沖擊尾緣冷卻結(jié)構(gòu)的數(shù)值分析77-84
• 5.3 編織型尾緣結(jié)構(gòu)的冷卻葉片氣熱耦合計(jì)算84-93
• 5.3.1 編織型尾緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與模型建立84-85
• 5.3.2 編織型尾緣冷卻結(jié)構(gòu)的葉片數(shù)值分析85-93
• 5.4 本章小結(jié)93-95
• 結(jié)論95-97
• 參考文獻(xiàn)97-102
• 致謝102

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