【摘要】：高溫燃氣渦輪是航空發(fā)動機的核心機極其重要的部件之一,它的性能會對航空發(fā)動機的安全性和經(jīng)濟性產(chǎn)生重要影響。為了追求航空發(fā)動機高推重比和高效率,燃氣渦輪入口溫度逐漸攀升,使得燃氣輪機的冷卻技術滿足更大輸出功率的需求和更高的熱效率面臨挑戰(zhàn)性。本文著眼于高推重比航空發(fā)動機高溫渦輪葉片前緣區(qū)域的換熱機理,依靠自編程序搭建渦輪葉片前緣區(qū)域的冷卻結構。借助數(shù)值模擬的方法研究了典型渦輪葉片前緣區(qū)域內部流動換熱機理。首先研究前緣曲率和沖擊靶距對渦輪前緣層板結構換熱的影響機理,結果顯示,前緣曲率和沖擊靶距的改變會顯著地影響沖擊靶面的換熱性能。其次,通過研究擾流柱和凹坑參數(shù)對前緣層板結構換熱的影響,得出了擾流柱排布改變綜合換熱性能的機制,并給出最佳的擾流柱結構形式。在高溫渦輪葉片前緣區(qū)域的典型層板結構冷卻單元添加凹坑結構,數(shù)值結果表明,合理地添加凹坑結構能夠在一定程度上增大沖擊靶面的換熱,并且減小腔室內部的流阻系數(shù)。然而,過深或者過大的凹坑將會降低沖擊靶面的換熱。此外,凹坑形狀的變化對沖擊靶面的換熱性能影響較小。再者,通過研究渦輪前緣曲率和沖擊靶距對帶有凹坑結構的前緣層板結構換熱的影響機理。數(shù)值模擬結果表明,前緣曲率和沖擊靶距的變化會顯著影響來流沖擊離開凹坑滯止點后由于流動邊界層變薄而導致的熱量交換。前緣區(qū)域的曲率和沖擊靶距對沖擊靶面換熱增強效果并不是線性的關系。最后,本文采用圓孔射流沖擊冷卻的方法來對渦輪葉片前緣區(qū)域的局部換熱進行仿真模擬,發(fā)現(xiàn)冷卻空氣入口雷諾數(shù)、氣膜孔與沖擊孔直徑之比、渦輪葉片前緣曲率、沖擊靶距、擾流柱參數(shù)和凹陷渦發(fā)生器參數(shù)對沖擊靶面的換熱均有不同程度的影響。通過對大量數(shù)值模擬得出的數(shù)據(jù)結果進行分析研究,整理出了渦輪葉片前緣各個無量綱參數(shù)基于Dittus-Boelter平均換熱特性的通用經(jīng)驗公式。
【學位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：V235.1
【圖文】：

圖 1-2 入口溫度及冷卻結構隨年份變化[5]構為主，其常用的冷卻結構一般有：沖者如 E3 渦輪第二級導葉，后者如 E3 渦沖擊冷卻是通過一股或多股低溫高壓氣并在沖擊靶面處產(chǎn)生強烈的擾動，沖擊方式適用于需重點冷卻的局部區(qū)域，沖是強化局部傳熱最有效的方法之一。氣式，即葉片內部通道中的冷卻空氣以一向主流引入二次氣流（冷卻工質或射流），下向下游彎曲，附著在壁面一定區(qū)域上，氣隔離，并帶走部分高溫燃氣，從而對冷卻技術集沖擊冷卻、擾流柱對流冷卻、解決 2 200 K 溫度等級第五代航空發(fā)動

b) E3 渦輪第一級動葉 c) E3 渦輪第二級導葉圖 1-3 典型的渦輪前緣冷卻結構機渦輪葉片高溫問題的有效技術手段之一。然而，由于渦輪葉片前緣受燃氣擊，熱負荷較高，對冷卻結構的冷卻效率要求更為苛刻，有必要采用高效的熱強化措施來增強前緣層板冷卻結構內部的換熱能力。通過在壁面產(chǎn)生凹陷導的凹陷渦具有破壞邊界層、產(chǎn)生不同尺度的旋渦的能力，同時具有在保證阻變化不大的情況下，提高換熱性能的潛質。相對于傳統(tǒng)的擾流結構，凹陷發(fā)生器的添加不會增大葉片重量，加工難度不大，因此采用凹陷渦發(fā)生器提渦輪葉片前緣層板冷卻結構換熱具有較重要的實用意義。本文擬采用數(shù)值模方法研究凹陷渦影響前緣層板冷卻結構的流動換熱特性，并通過渦動力學、撲分析及理論分析冷卻結構內部的流動換熱機理。這對于歸納提煉帶凹陷渦生器前緣層板冷卻結構流動機理和換熱模型，解決航空發(fā)動機渦輪葉片高溫蝕問題意義重大。1.3 冷卻結構的作用機理及關鍵技術渦輪葉片冷卻結構的設計目的是在較小的循環(huán)效率損失情況下取得較大

哈爾濱工業(yè)大學工程碩士學位論文1.3.1 高效冷卻結構的作用機理渦輪葉片的微型冷卻結構作為新的高效冷卻結構，擁有巨大的優(yōu)勢[6]。微型冷卻結構在葉片內部形成若干個微小的通道，冷氣在通道中流動，能夠提高葉片溫度的均勻性從而減小熱應力。除此之外，若干微小通道緊靠葉片外壁面，進而提高了冷氣的冷卻能力。這種微型冷卻結構能夠用于葉片的整體設計，也能夠用于局部區(qū)域如葉片前緣位置的換熱強化。圖 1-4 給出了 Auxier[7]及Bunker[8]等使用的雙層壁冷卻結構，在這種高效冷卻結構中，雙層壁的溫度接近于冷氣的輸入溫度，外壁面為葉片的表面溫度，這種雙層壁冷卻結構能夠顯著地降低結構的金屬溫度。

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本文編號：2755954