【摘要】：隨著航空發(fā)動機性能不斷提高,其熱效率和輸出功率不斷增加,渦輪進口溫度不斷提高,渦輪葉片的工作環(huán)境愈加惡劣。過高的溫度不僅會導致渦輪葉片熱負荷增大,而且極易造成葉片結(jié)構(gòu)燒蝕,影響葉片的正常工作和使用壽命。因此需要為渦輪葉片設(shè)計冷卻系統(tǒng)以保護葉片,解決該問題。常見的渦輪葉片冷卻可以分為內(nèi)部冷卻和外部冷卻兩大類型,其中,內(nèi)部冷卻是外部冷卻的基礎(chǔ)。同時,渦輪冷卻的常用研究方法包括管網(wǎng)法,三維數(shù)值模擬法和實驗方法等。本文針對渦輪展開內(nèi)部冷卻研究,主要建立以內(nèi)部冷卻流體為研究對象的流體管網(wǎng)和以葉片為研究對象的葉片一維、二維傳熱模型,并將它們的計算結(jié)果分別同葉片三維數(shù)值模擬結(jié)果作了對比。文中的主要研究內(nèi)容如下:1)基于動量、能量和質(zhì)量守恒原理,推導了節(jié)流單元的動量方程、能量方程與節(jié)點的連續(xù)性方程、能量方程,給出了簡單內(nèi)部冷卻元件、沖擊冷卻元件等元件的換熱系數(shù)和摩擦系數(shù)實驗關(guān)聯(lián)式,以節(jié)點單元的壓力平衡和溫度平衡作為求解條件,構(gòu)建了含有沖擊冷卻的渦輪導葉葉片內(nèi)部冷卻通道流體管網(wǎng)模型。該模型預測的冷氣溫度與CFD氣熱耦合數(shù)值模擬的結(jié)果具有較為接近的變化規(guī)律,表明流體管網(wǎng)法能夠用于含有沖擊冷卻的渦輪導葉內(nèi)部冷卻通道流體計算。2)以葉片為研究對象,考慮垂直于壁面方向(法向)傳熱,構(gòu)建葉片一維傳熱模型。根據(jù)簡化的冷卻葉片一維傳熱示意圖,截取一定高度處的葉片微元,應(yīng)用理論分析的方法,分別求解得到微元處葉片內(nèi)壁面換熱量、葉片外壁面換熱量和葉片內(nèi)部導熱量,結(jié)合內(nèi)部冷卻氣體能量方程,建立了冷氣溫度沿葉高方向的微分關(guān)系式。在給定內(nèi)部冷氣進口溫度條件后,獲得葉片內(nèi)壁面溫度、外壁面溫度和冷氣溫度解析表達式。同時,將模型計算結(jié)果與文獻數(shù)據(jù)和三維CFD模擬結(jié)果比較,結(jié)果表明一維傳熱模型計算耗時明顯少,葉片一維模型可以實現(xiàn)對葉片壁面溫度的快速預測。3)提出了葉片二維傳熱模型,模型中同時考慮葉片徑向(葉高方向)傳熱和與壁面垂直方向(法向)傳熱,能夠考慮葉片進口徑向溫度不均勻性和葉頂、葉根冷卻效應(yīng)�；诳紤]葉片徑向傳熱后簡化得到的二維傳熱微元,通過理論分析,給出了微元內(nèi)的二維導熱方程,邊界條件包括燃氣側(cè)換熱系數(shù)、燃氣溫度、葉頂熱流密度、葉根熱流密度等。燃氣側(cè)換熱系數(shù)、燃氣溫度從葉片設(shè)計階段以絕熱固壁為邊界條件模擬的三維CFD流場中獲取。為了提高模型的易用性,模型中根據(jù)內(nèi)部冷卻通道的位置、個數(shù)對葉片分區(qū),并沿著葉片徑向方向分段,各葉片段內(nèi)給定相同的邊界條件。應(yīng)用差分方法,分別得到二維傳熱方程、燃氣側(cè)邊界條件、冷氣側(cè)邊界條件、葉頂邊界條件、葉根邊界條件、冷氣方程等差分格式。同時,以E3渦輪第一級導葉為例,對比二維傳熱模型與三維CFD葉片壁面溫度計算結(jié)果。對比結(jié)果表明,此模型能夠適用于內(nèi)外壁面存在溫差的渦輪葉片,模型計算的溫度分布變化趨勢與三維CFD結(jié)果相近,溫度最大值與最小值位置相同,最大計算誤差不超過6.5%,計算耗時可以減少95%。此外,與葉片一維傳熱模型的對比結(jié)果表明,葉片二維傳熱模型計算誤差更小。二維葉片傳熱模型可以確定渦輪對流冷卻葉片的冷氣需求量,準確、快速地給出葉片外壁面的溫度分布。
【圖文】：

圖（ｃ）繞流冷卻邐圖（ｄ）氣膜冷卻逡逑圖１．１多種冷卻結(jié)構(gòu)示意圖１３１逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１．１邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｓｋｅｔｃｈｅｓ邋ｏｆ邋ｖａｒｉｏｕｓ邋ｃｏｏｌｉｎｇ邋ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ逡逑研宄渦輪冷卻技術(shù)對于提高我國航空發(fā)動機的整體性能尤為重要。其中，內(nèi)逡逑部冷卻是渦輪冷卻的一種重要形式，也是渦輪外部冷卻的重要基礎(chǔ)，故有必要針逡逑對內(nèi)部冷卻展開研宄。目前，針對內(nèi)部冷卻葉片，若建立合適的計算模型，快速逡逑預測冷卻葉片溫度與冷卻流體參數(shù)變化，有助于縮短冷卻葉片設(shè)計計算周期，本逡逑文對這一問題展開相關(guān)的研究工作。逡逑１．２國內(nèi)外研究現(xiàn)狀逡逑早期的渦輪葉片內(nèi)部冷卻研宄主要通過實驗進行，研究人員通過模型實驗獲逡逑得不同內(nèi)部冷卻結(jié)構(gòu)的冷卻實驗數(shù)據(jù)，由于實驗數(shù)據(jù)是離散的，為了方便后續(xù)的逡逑實際應(yīng)用，提出換熱系數(shù)和摩擦系數(shù)（損失系數(shù)）等擬合經(jīng)驗公式用于預測冷卻逡逑效果

圖（ｃ）繞流冷卻邐圖（ｄ）氣膜冷卻逡逑圖１．１多種冷卻結(jié)構(gòu)示意圖１３１逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１．１邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｓｋｅｔｃｈｅｓ邋ｏｆ邋ｖａｒｉｏｕｓ邋ｃｏｏｌｉｎｇ邋ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ逡逑研宄渦輪冷卻技術(shù)對于提高我國航空發(fā)動機的整體性能尤為重要。其中，內(nèi)逡逑部冷卻是渦輪冷卻的一種重要形式，也是渦輪外部冷卻的重要基礎(chǔ)，故有必要針逡逑對內(nèi)部冷卻展開研宄。目前，，針對內(nèi)部冷卻葉片，若建立合適的計算模型，快速逡逑預測冷卻葉片溫度與冷卻流體參數(shù)變化，有助于縮短冷卻葉片設(shè)計計算周期，本逡逑文對這一問題展開相關(guān)的研究工作。逡逑１．２國內(nèi)外研究現(xiàn)狀逡逑早期的渦輪葉片內(nèi)部冷卻研宄主要通過實驗進行，研究人員通過模型實驗獲逡逑得不同內(nèi)部冷卻結(jié)構(gòu)的冷卻實驗數(shù)據(jù)，由于實驗數(shù)據(jù)是離散的，為了方便后續(xù)的逡逑實際應(yīng)用，提出換熱系數(shù)和摩擦系數(shù)（損失系數(shù)）等擬合經(jīng)驗公式用于預測冷卻逡逑效果
【學位授予單位】：中國科學院大學(中國科學院工程熱物理研究所)
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：V231.1

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