發(fā)布時間：2020-05-29 04:26

【摘要】：航空發(fā)動機(jī)向高推重比、高效率和低排放方向發(fā)展,使得渦輪端壁的熱負(fù)荷越來越高。在此背景下發(fā)展了非軸對稱端壁造型技術(shù),其通過抑制端壁二次流結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和大小,減小渦輪葉柵氣動損失,提高渦輪氣動效率的同時降低端壁換熱。本文以低展弦比渦輪導(dǎo)葉為研究對象,對非軸對稱端壁二次流動、換熱及氣膜冷卻特性開展數(shù)值模擬與實驗研究,研究內(nèi)容及相關(guān)結(jié)論如下:提出了一種基于參數(shù)化脊線的非軸對稱端壁高效成型方法,以抑制葉柵出口二次動能和端壁換熱為目標(biāo),采用基于V2F湍流模型的端壁二次流動與換熱數(shù)值計算方法,開展了非軸對稱端壁氣動與換熱的多目標(biāo)優(yōu)化研究。結(jié)果表明:基于參數(shù)化脊線的非軸對稱端壁成型方法可預(yù)先保證端壁壓力側(cè)較高而吸力側(cè)較低的基本形狀,控制參數(shù)較少,非軸對稱端壁成型效率得以提高。非軸對稱端壁改變了馬蹄渦和通道渦的位置,抑制了通道渦和壁渦的強(qiáng)度,從而降低葉柵二次損失和端壁換熱水平。在非軸對稱端壁多目標(biāo)優(yōu)化成型的基礎(chǔ)上,研究了進(jìn)口雷諾數(shù)、來流湍流度和進(jìn)口邊界層厚度等進(jìn)口條件對端壁二次流動與換熱的影響機(jī)制和規(guī)律。結(jié)果表明:進(jìn)口雷諾數(shù)增大使葉柵出口總壓損失減小和端壁換熱水平降低,但二次動能和流動偏轉(zhuǎn)則基本不受雷諾數(shù)影響。隨著進(jìn)口雷諾數(shù)提高,非軸對稱端壁抑制葉柵氣動損失的效果基本相同,但降低端壁換熱的效果則逐漸增強(qiáng);來流湍流度提高增大了葉片的型面損失,導(dǎo)致葉柵出口總壓損失增大,端壁換熱水平也隨之上升。來流湍流度增加時,非軸對稱端壁降低葉柵氣動損失的效果逐漸減弱。當(dāng)來流湍流度偏離優(yōu)化設(shè)計點時,非軸對稱端壁削弱換熱的效果減弱,湍流度較低時甚至高于常規(guī)端壁;進(jìn)口邊界層厚度增加,葉柵出口的二次動能增大,但對葉柵出口總壓損失的影響較小。當(dāng)邊界層厚度偏離優(yōu)化設(shè)計點時,端壁斯坦頓數(shù)水平略有下降。隨著進(jìn)口邊界層增厚,非軸對稱端壁造型對二次動能和端壁換熱的抑制效果減弱。通過分析端壁近壁流動和熱負(fù)荷分布特點,提出了基于通道渦核心線的端壁氣膜冷卻分區(qū)方法。在端壁的不同分區(qū)位置,設(shè)計了常規(guī)布置與分區(qū)布置兩種端壁氣膜孔布置方案,采用數(shù)值模擬和實驗測量方法,對比研究了氣膜孔常規(guī)布置與分區(qū)布置對端壁二次流動和氣膜冷卻特性,驗證端壁分區(qū)方法的有效性和合理性。結(jié)果表明:端壁壓力側(cè)換熱系數(shù)水平較高的區(qū)域與通道渦核心線有關(guān),而與馬蹄渦壓力側(cè)分離線無關(guān);采用馬蹄渦分離線和通道渦核心線將端壁劃分為5個不同分區(qū),具體為上游-通道楔形區(qū)、前緣區(qū)、壓力側(cè)區(qū)、壓力側(cè)下游區(qū)和吸力側(cè)下游區(qū);與氣膜孔常規(guī)布置相比,端壁氣膜孔分區(qū)布置削弱了冷氣射流與葉柵主流的摻混,葉柵出口的能量損失更低。同時,端壁氣膜孔分區(qū)布置改進(jìn)了冷氣在端壁的流量分配,在高熱負(fù)荷的壓力側(cè)區(qū)有更多的氣膜孔,端壁絕熱氣膜冷卻效率分布更加均勻。在中低吹風(fēng)比條件下,氣膜孔分區(qū)布置的端壁的絕熱氣膜冷卻效率明顯提高。在端壁氣膜孔分區(qū)布置基礎(chǔ)上,采用數(shù)值分析和實驗測量方法,針對各分區(qū)研究了氣膜孔展向角(BPA00,BPA30,BPA60)對端壁二次流動與氣膜冷卻特性影響的物理機(jī)制及變化規(guī)律,綜合氣動損失及氣膜冷卻效率,選取較優(yōu)的端壁氣膜孔結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明:氣膜孔展向角過低過高均會導(dǎo)致較高的葉柵出口的二次動能和能量損失;高吹風(fēng)比條件下,氣膜孔展向角過高還會使吸力面與端壁的角隅區(qū)發(fā)生分離而形成新的角渦,能量損失急劇增大;綜合考慮葉柵氣動損失及端壁氣膜冷卻性能,BPA30端壁具有較高的絕熱氣膜冷卻效率和較低的氣動損失,在三種氣膜孔展向角的端壁中最優(yōu)。對優(yōu)化得到的非軸對稱端壁,應(yīng)用端壁氣膜孔分區(qū)布置方案及優(yōu)選的特定展向角的氣膜孔結(jié)構(gòu),開展了非軸對稱端壁氣冷葉柵氣動特性及端壁氣膜冷卻特性的數(shù)值分析與實驗研究,并與常規(guī)端壁對比,分析了非軸對稱端壁造型對葉柵氣動和端壁氣膜冷卻的影響機(jī)理。對氣動性能的數(shù)值分析結(jié)果表明:與無射流時相比,氣膜孔冷氣射流對葉柵二次流有抑制作用。隨著吹風(fēng)比升高,非軸對稱端壁葉柵出口總壓損失系數(shù)和二次動能系數(shù)降低,流動偏轉(zhuǎn)減小,能量損失系數(shù)則隨吹風(fēng)比增大呈先降低后升高的趨勢。當(dāng)吹風(fēng)比相同時,非軸對稱端壁造型的葉柵出口總壓損失系數(shù)、二次動能系數(shù)和能量損失系數(shù)均比常規(guī)端壁的低。但隨著吹風(fēng)比升高,非軸對稱端壁造型相比常規(guī)端壁在氣動性能上的改善效果減弱。相同吹風(fēng)比條件下,非軸對稱端壁的葉柵出口總壓損失系數(shù)和能量損失系數(shù)隨雷諾數(shù)增大而減小,二次動能系數(shù)和流動偏轉(zhuǎn)角則受雷諾數(shù)的影響不大。非軸對稱端壁在高雷諾數(shù)和高吹風(fēng)比下相比常規(guī)端壁的氣動性能有較大改善。隨來流湍流度增大,非軸對稱端壁的葉柵出口總壓損失系數(shù)上升,二次動能系數(shù)降低。在相同吹風(fēng)比和來流湍流度條件下,非軸對稱端壁的葉柵出口總壓損失系數(shù)、二次動能系數(shù)及流動偏轉(zhuǎn)均比常規(guī)端壁的低,但來流湍流度增大,非軸對稱端壁抑制葉柵出口總壓損失和二次動能系數(shù)的效果逐漸減弱。對端壁氣膜冷卻特性的數(shù)值分析與實驗研究表明:隨著吹風(fēng)比增大,非軸對稱端壁絕熱氣膜冷卻效率呈先增大而后減小的趨勢。吹風(fēng)比過大減弱了冷氣射流沿主流的流向動量,使冷氣射流在氣膜孔排近下游的覆蓋能力減弱。吹風(fēng)比相同時,非軸對稱端壁絕熱氣膜冷卻效率水平隨雷諾數(shù)增加而小幅上升。相同吹風(fēng)比和雷諾數(shù)條件下的非軸對稱端壁氣膜覆蓋優(yōu)于常規(guī)端壁。非軸對稱端壁絕熱氣膜冷卻效率隨來流湍流度增大而降低;吹風(fēng)比越大,來流湍流度對絕熱氣膜冷卻效率的影響越小;中低吹風(fēng)比條件下,與常規(guī)端壁相比,非軸對稱端壁造型有助于提高不同來流湍流度下的端壁絕熱氣膜冷卻效率。
【圖文】：

第一章 緒論背景及意義動機(jī)作為飛機(jī)的動力來源，，主要靠提高渦輪進(jìn)口溫度*3T 來提高發(fā)動機(jī)的防部開展的“綜合高性能渦輪發(fā)動機(jī)技術(shù)”(IHPTET)計劃中對燃?xì)鉁u輪目標(biāo)是：渦輪前燃?xì)膺M(jìn)口溫度提高 500K，冷卻空氣減少 60%，重量減少0%，生產(chǎn)成本和維修成本降低 10%[1]。 “通用的經(jīng)濟(jì)可承受的先進(jìn)渦輪TE)作為 IHPTET 計劃的延續(xù)，其研究目標(biāo)是：到 2017 年，使現(xiàn)役、在進(jìn)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)可承受性較 2000 年的基準(zhǔn)推進(jìn)系統(tǒng)提高 10 倍，具體到大標(biāo)是：推重比增大 200%，油耗降低 25%，開發(fā)、采購及生命周期維護(hù)成本了“先進(jìn)核心軍用發(fā)動機(jī)計劃”(ACME)的研究，計劃把推重比為 20 定時發(fā)動機(jī)的渦輪進(jìn)口溫度將達(dá)到 2130℃[1]。目前先進(jìn)的航空發(fā)動機(jī)渦輪0K。圖 1.1 為航空發(fā)動機(jī)渦輪進(jìn)口溫度變化趨勢[3]。

渦輪導(dǎo)葉非軸對稱端壁造型方法與氣膜冷卻研究中的面積與葉片表面積相當(dāng)，其所承受的熱負(fù)荷也越來越高。渦輪端壁程中可能會由于氧化、熱腐蝕、侵蝕及外物破壞等綜合因素影響，產(chǎn)生熱退化而導(dǎo)致?lián)p壞。圖 1.3 為 SGT6-5000F 發(fā)動機(jī)渦輪轉(zhuǎn)子葉片的葉尖和所帶來的問題，除發(fā)展新耐熱材料、熱障涂層等措施外，還必須對渦輪卻技術(shù)，保證發(fā)動機(jī)的正常運(yùn)行[4, 6]。
【學(xué)位授予單位】：南京航空航天大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：V231

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 孫皓;宋立明;李軍;;透平葉柵非軸對稱端壁優(yōu)化設(shè)計[J];西安交通大學(xué)學(xué)報;2013年09期

2 孫皓;李軍;李國君;豐鎮(zhèn)平;;非軸對稱端壁造型技術(shù)在透平中的應(yīng)用和發(fā)展[J];熱力透平;2012年01期

3 趙晶金;劉釗;豐鎮(zhèn)平;余小兵;;新型反對稱渦氣膜冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計及其數(shù)值研究[J];工程熱物理學(xué)報;2011年05期

4 劉鋒;羅佳奇;蔡晉生;;基于粘性伴隨方法的渦輪葉片二次流損失優(yōu)化設(shè)計[J];航空工程進(jìn)展;2011年01期

5 侯偉濤;喬渭陽;羅華玲;;二次流動對氣冷渦輪葉柵流場的影響[J];推進(jìn)技術(shù);2010年04期

6 王子健;;氣膜孔結(jié)構(gòu)對渦輪導(dǎo)葉端壁冷卻效率的影響研究[J];航空發(fā)動機(jī);2010年02期

7 羅華玲;喬渭陽;許開富;;一種大負(fù)荷低壓渦輪葉型的氣動性能[J];航空動力學(xué)報;2009年12期

8 盧家玲;楚武利;朱俊強(qiáng);劉志偉;;端壁造型在葉輪機(jī)械中的應(yīng)用與發(fā)展[J];熱能動力工程;2009年06期

9 田夫;鐘兢軍;;端壁翼刀降低葉柵損失機(jī)理的實驗研究[J];工程熱物理學(xué)報;2009年07期

10 岳珠峰;虞跨海;溫志勛;李磊;;渦輪單晶冷卻葉片綜合設(shè)計技術(shù)綜述[J];航空制造技術(shù);2009年09期

本文編號：2686394