【摘要】：航空燃氣輪機是現(xiàn)代飛機的主要動力來源,其發(fā)展水平直接反映了航空產(chǎn)業(yè)的先進程度。作為燃氣輪機的動力部件,渦輪的表現(xiàn)對發(fā)動機的整體性能至關重要。為了獲得更大的推力和更高的氣動效率,渦輪前的燃氣溫度不斷提高,已經(jīng)遠遠超過先進葉片材料的承受溫度,因此需要為葉片設計有效、可靠的冷卻結(jié)構(gòu),以保證渦輪乃至整個發(fā)動機的穩(wěn)定運行。帶肋通道和柱肋排通道是渦輪葉片內(nèi)部冷卻的典型形式,擾流肋和柱肋是影響通道性能的主要因素,具有較大的改進潛力。本文采用數(shù)值模擬的的方法,在冷卻通道中對傳統(tǒng)擾流結(jié)構(gòu)進行了幾何改進,以進一步改善換熱性能,其中選擇典型的通道進口雷諾數(shù)范圍10 000~60 000。本文提出了新型的波浪肋,以強化渦輪葉片中部冷卻通道的換熱性能,并改善流動特性。將簡單的波浪肋結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)擾流肋進行了初步的性能對比。結(jié)果發(fā)現(xiàn),波浪肋具有進一步改善帶肋壁面換熱同時降低通道壓損的潛力,是下文的主要研究對象。在三種常見的45°斜肋、45°V型肋和45°W型肋中,選擇換熱改善性能最好的45°V型肋作為波浪肋的對比方案,以進一步凸顯優(yōu)化設計后的波浪肋在改善換熱和降低壓損方面的優(yōu)勢。本文提出新型的多重射流板,以進一步改善渦輪葉片尾緣的換熱性能。與傳統(tǒng)柱肋排進行了換熱改善性能和流動壓損的對比,明確了多重射流板的性能。多重射流板的特點鮮明:換熱改善性能非常好、引起的壓損較大和結(jié)構(gòu)復雜,同時在渦輪葉片尾緣寬通道的典型雷諾數(shù)范圍內(nèi)具有較好的熱性能。對多重射流板的主要幾何參數(shù)射流距離和射流板厚度進行了初步研究,并考慮了多種典型雷諾數(shù),發(fā)現(xiàn)換熱性能和壓損均與二者大小成反比。在靜止單通道中研究了波浪肋幾何參數(shù)肋高、倒圓角半徑、肋角和肋厚對其性能的影響,同時考慮了雷諾數(shù)的影響。選擇帶肋壁面附近和通道橫截面上的流場分布進行分析,同時給出通道整體的壓損系數(shù),發(fā)現(xiàn)波浪肋的導流作用是有效控制壓損的主要原因。帶肋壁面是冷卻通道的最重要的換熱表面,其換熱性能是主要研究對象,同時對光滑側(cè)壁面的換熱性能也有所研究。根據(jù)本文中等壁溫的邊界設置,與帶肋壁面對應加熱面的熱流量或熱流密度是衡量擾流肋換熱改善性能的最終參數(shù),同時給出帶肋壁面的努塞爾數(shù)比、熱性能和面積提高值、波浪肋在帶肋壁面上的換熱貢獻和換熱面積比以明確各個幾何參數(shù)對通道壁面換熱的影響。在U型通道中研究了波浪肋對冷氣流動和所有壁面換熱的影響,同時考慮了旋轉(zhuǎn)的影響。通過給出帶肋壁面附近的三維流場,分析波浪肋、旋轉(zhuǎn)和折轉(zhuǎn)段對冷氣流動的影響。在此基礎上,研究帶肋壁面、側(cè)壁面和頂壁面上的流動特性,探究了以上三個因素影響流動損失和壁面換熱的原因。結(jié)合通道所有表面上努塞爾數(shù)比的分布,明確了波浪肋對旋轉(zhuǎn)效應的影響。在渦輪葉片典型的靜止單通道、靜止和旋轉(zhuǎn)U型通道中,對所有帶肋壁面換熱改善性能高于對比方案同時壓損系數(shù)不升高的高性能波浪肋進行了歸納總結(jié)。帶肋壁面對應加熱面熱流密度的提高值和通道壓損系數(shù)的提高值是本文中衡量通道換熱性能和流動特性的兩個主要參數(shù)。給出波浪肋表面和端壁表面的熱流量、波浪肋表面的換熱面積比、波浪肋表面和端壁表面的努塞爾數(shù)比,發(fā)現(xiàn)自身具有較大的換熱面積是高性能波浪肋改善帶肋壁面換熱的根本原因。研究了高性能波浪肋在不同雷諾數(shù)和旋轉(zhuǎn)數(shù)下的性能,發(fā)現(xiàn)其具有較好的通用性,同時確定大的肋高是波浪肋的設計方向,大的倒圓角半徑和小的肋角是進一步的設計方向。
【學位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：V232.4
【圖文】：

哈爾濱工業(yè)大學工學博士學位論文著葉片設計的要求提高，需要能夠穩(wěn)定工作在高溫、高壓、今先進航空燃氣輪機的渦輪前燃氣溫度高達 1700℃，遠高于溫度 1000℃，迫切需要設計先進、有效的冷卻結(jié)構(gòu)以保護葉來葉片材料耐受溫度和渦輪前燃氣溫度的發(fā)展變化，可以看因此，渦輪葉片冷卻技術(shù)的發(fā)展是先進燃氣輪機設計的關鍵

擾流冷卻 柱肋冷卻(b) 內(nèi)部冷卻圖 1-2 渦輪葉片的典型冷卻方式[3]Fig. 1-2 Typical cooling methods of the turbine blade一般情況下，渦輪葉片為空心結(jié)構(gòu)，冷卻形式分為外部冷卻和內(nèi)部冷卻。在外部冷卻中，氣膜冷卻是最重要的冷卻形式。來自壓氣機的冷氣由葉片內(nèi)部流經(jīng)葉身上微小孔排噴出并附著在葉片表面，將葉片與高溫燃氣隔開而達到冷卻的目的。發(fā)汗冷卻的作用機理與氣膜冷卻類似，葉片內(nèi)部冷氣通過由多孔材料構(gòu)成的葉片壁面，在葉片表面形成均勻保護膜。熱障涂層是另外一種常見的外部冷卻技術(shù)，將耐熱材料噴涂在葉片表面以阻斷高溫燃氣起對葉片的侵蝕。在內(nèi)部冷卻中，沖擊射流、帶擾流肋的蛇形通道、柱肋排是三種主要形式，一般分別用于空間較大的葉片前緣、葉片中部、空間較小的葉片尾緣的冷卻。其中，近似于沖擊射流的層板冷卻是一種的高效的內(nèi)部冷卻技術(shù)。圖 1.2 給出了渦輪葉片上四種最常見的冷卻方式，圖 1-3 則展示了渦輪葉片上多種典型冷卻結(jié)構(gòu)的組合。Cooling AirHEndwall

【參考文獻】

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1 王龍飛;王松濤;盧少鵬;羅磊;溫風波;;小高徑比擾流柱冷卻通道的換熱和流動特性[J];航空動力學報;2015年06期

2 羅紀生;;高超聲速邊界層的轉(zhuǎn)捩及預測[J];航空學報;2015年01期

3 遲重然;任靜;蔣洪德;;燃機葉片平行肋擾流內(nèi)冷通道傳熱特性研究Part2:耦合傳熱特性[J];工程熱物理學報;2014年01期

4 王剛;劉毅;王光秋;單肖文;;采用γ-Re_(θt)模型的轉(zhuǎn)捩流動計算分析[J];航空學報;2014年01期

5 鄧丁元;高行山;虞跨海;岳珠峰;;橢圓形擾流柱冷卻通道流動與換熱數(shù)值研究[J];航空動力學報;2010年07期

6 張麗;張書華;朱惠人;劉松齡;;小間距梯形擾流柱通道內(nèi)的流動換熱數(shù)值計算[J];航空動力學報;2009年01期

7 張麗,劉松齡;有弦向出流的短擾流柱排流動與換熱數(shù)值計算[J];推進技術(shù);2004年04期

8 楊成鳳,張靖周,譚曉茗;水滴形叉排擾流柱陣列矩形通道內(nèi)流動和換熱數(shù)值模擬[J];航空動力學報;2004年03期

9 向安定,劉松齡;有射流沖擊的短擾流柱排內(nèi)流場的數(shù)值模擬[J];西北工業(yè)大學學報;2003年01期

本文編號：2717189