【摘要】：氣膜冷卻是現(xiàn)代航空發(fā)動機技術中比較重要的方面,氣膜冷卻因其固有的高效冷卻特性成為航空發(fā)動機熱端部件的主要冷卻措施之一,其中發(fā)散冷卻是目前引起廣泛關注的一種冷卻方式,其主要特征是被冷卻壁面上的氣膜孔更加密集,可以在燃氣側(cè)壁面附近形成相對完全覆蓋的氣膜層。本文針對發(fā)散冷卻的特點,圍繞提高氣膜冷卻效率的目標,對發(fā)散冷卻結(jié)構(gòu)進行改進,以期獲得冷卻效果更好的冷卻結(jié)構(gòu)。主要研究內(nèi)容包括:針對平底形橫向波紋壁面發(fā)散冷卻結(jié)構(gòu),研究波紋結(jié)構(gòu)形式和氣膜孔結(jié)構(gòu)參數(shù)對發(fā)散冷卻流動和換熱特性的影響規(guī)律;針對主流順/逆壓力梯度下的發(fā)散冷卻結(jié)構(gòu),研究主流通道收縮比對發(fā)散冷卻流動和換熱特性的影響規(guī)律;針對發(fā)散冷卻結(jié)構(gòu)上游氣膜冷卻效率較低的特點,前端加狹縫冷卻結(jié)構(gòu),研究狹縫射流對發(fā)散冷卻流動和換熱特性的影響規(guī)律。首先,針對平底形橫向波紋壁面發(fā)散冷卻結(jié)構(gòu),研究了吹風比、波紋高度、波紋長度、氣膜孔孔徑、氣膜孔排布方式和開孔率等參數(shù)對發(fā)散冷卻結(jié)構(gòu)流動和換熱特性的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明:與平板發(fā)散冷卻結(jié)構(gòu)相比,波紋壁面發(fā)散冷卻結(jié)構(gòu)氣膜冷卻效率在展向上呈現(xiàn)出波峰區(qū)域較低、波谷區(qū)域較高的趨勢,同時在任意吹風比下,其展向平均氣膜冷卻效率沿流動方向均呈現(xiàn)逐漸增加之后趨于平穩(wěn)的趨勢,并且氣膜冷卻效率隨著吹風比的增加而升高。隨著波紋高度的增加,波峰和波谷交界區(qū)域氣膜冷卻效率有所升高,而波峰和波谷區(qū)域氣膜冷卻效率卻有所降低,展向分布均勻性變差;波紋長度的變化對展向平均氣膜冷卻效率影響很小,隨著波紋長度的增加,氣膜冷卻效率展向分布均勻性變好。在相同的單位冷卻面積冷氣用量條件下,減小氣膜孔孔徑、減小氣膜孔間距比以及增大開孔率均能提高氣膜冷卻效率,相對于氣膜孔孔徑和開孔率的變化對氣膜冷卻效率的影響,氣膜孔間距比減小帶來的氣膜冷卻效率的提高幅度要小于減小氣膜孔孔徑和增大開孔率對其帶來的影響。此外,增大氣膜孔孔徑、增大氣膜孔間距比以及減小開孔率均能使流量系數(shù)增大,相比于開孔率對流量系數(shù)的影響能力,氣膜孔孔徑以及間距比對流量系數(shù)的影響可以忽略不計。其次,針對主流順/逆壓力梯度下的發(fā)散冷卻結(jié)構(gòu),研究了吹風比和主流通道收縮比等參數(shù)對發(fā)散冷卻結(jié)構(gòu)流動和換熱特性的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明:主流順壓力梯度時,氣膜射流對主流的穿透會得到一定程度的抑制,氣膜射流在加速主流的壓迫下更加貼近壁面,氣膜層厚度變薄,并且吹風比較小時,氣膜射流速度較低,前幾排氣膜射流由于主流的抑制作用,甚至會形成逆流,吹風比較大時,氣膜射流的速度增加,主流對氣膜射流的抑制得到一定改善,壁面氣膜層覆蓋程度較好。而主流逆壓力梯度則加劇了氣膜射流對主流的穿透,在氣膜射流沿流動方向逐漸疊加的作用下,氣膜層的厚度得到改善,同時對壁面的保護也得到改善。因而,吹風比較小時,主流順壓力梯度下的展向平均氣膜冷卻效率和零壓力梯度時相比有所降低,并且主流順壓力梯度越大展向平均氣膜冷卻效率降低的幅度也越大,相反的,主流逆壓力梯度則使得展向平均氣膜冷卻效率有所升高,當吹風比較大時,主流流向壓力梯度的變化對展向平均氣膜冷卻效率的影響相對較弱,主流順壓力梯度的減小和主流逆壓力梯度的增大均能提高展向平均氣膜冷卻效率,但是提升的幅度較小。同時吹風比較小時,主流順壓力梯度使得熱側(cè)對流換熱系數(shù)增大,而主流逆壓力梯度則導致熱側(cè)對流換熱系數(shù)減小,吹風比較大時,在氣膜板上游區(qū)域,主流順壓力梯度和主流逆壓力梯度均使得熱側(cè)對流換熱系數(shù)減小,而在氣膜板下游區(qū)域,主流順壓力梯度和主流逆壓力梯度使得熱側(cè)對流換熱系數(shù)增大。最后,針對平板發(fā)散冷卻結(jié)構(gòu),前端加狹縫冷卻結(jié)構(gòu),研究了吹風比和狹縫結(jié)構(gòu)等參數(shù)對組合冷卻結(jié)構(gòu)流動和換熱特性的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明:對于狹縫-發(fā)散冷卻結(jié)構(gòu),氣膜冷卻效率在起始處較大,冷氣流量較小時氣膜冷卻效率沿流動方向逐漸降低,而冷氣流量較大時,氣膜冷卻效率先是略微減小,之后沿流動方向逐漸升高。對比發(fā)散冷卻結(jié)構(gòu)和狹縫-發(fā)散冷卻結(jié)構(gòu),狹縫射流的存在對氣膜冷卻效率有很大的影響,特別是在氣膜孔板的上游區(qū)域,氣膜冷卻效率升高的特別明顯。在發(fā)散孔吹風比相同時,由于狹縫射流的存在,總的冷氣流量增大,使得狹縫-發(fā)散冷卻結(jié)構(gòu)整體氣膜冷卻效率均大于發(fā)散冷卻結(jié)構(gòu);而冷氣流量相同時,由于狹縫射流的分流使得發(fā)散孔吹風比降低,在冷氣流量較小時,盡管狹縫-發(fā)散冷卻結(jié)構(gòu)上游區(qū)域的氣膜冷卻效率顯著高于發(fā)散冷卻結(jié)構(gòu),然而在下游區(qū)域氣膜冷卻效率卻有一定程度的減小;冷氣流量較大時,雖然狹縫-發(fā)散冷卻結(jié)構(gòu)發(fā)散孔吹風比較小,但是此時氣膜射流已經(jīng)形成完全覆蓋,因而狹縫-發(fā)散冷卻結(jié)構(gòu)氣膜冷卻效率整體均高于發(fā)散冷卻結(jié)構(gòu)。狹縫射流的存在僅對上游區(qū)域熱側(cè)對流換熱系數(shù)有明顯的影響,在相同的發(fā)散孔吹風比時,由于狹縫射流的存在,使得狹縫-發(fā)散冷卻結(jié)構(gòu)的對流換熱系數(shù)降低,雖然狹縫射流存在時,總的冷氣流量增加,但是下游遠離狹縫射流影響的區(qū)域,對流換熱系數(shù)基本無變化。
【學位授予單位】：南京航空航天大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：V233.5
【圖文】：

在航空、船舶、電力、能源等國防和國民經(jīng)濟的重要領域有著廣展，燃氣輪機性能不斷提高，燃氣輪機技術的應用和發(fā)展已經(jīng)成為等綜合實力的一個重要標志，受到了世界各國的普遍關注。學的基本原理，提高燃氣輪機熱力循環(huán)的最高溫度是改善燃氣輪航空發(fā)動機為例，圖 1.1 反應了最近幾十年來航空發(fā)動機渦輪進 60 年代以來，渦輪進口溫度每年以大約 22K 的速度提升[2]，目度已經(jīng)超過 2000K，根據(jù)先進航空發(fā)動機的發(fā)展趨勢，仍需進一未來航空發(fā)動機技術的發(fā)展趨勢，歐美等航空發(fā)達國家持續(xù)出臺劃，譬如，美國國防部啟動的“綜合高性能渦輪發(fā)動機技術”（IH的研究目標是：推重比增加 100%~120%，渦輪進口溫度提高 500%[3]。在此基礎上美國又啟動了 “通用經(jīng)濟可承受的先進渦輪發(fā)ET 計劃的延續(xù)[4]。英國也開展了“先進核心軍用發(fā)動機計劃”（A20 年驗證推重比為 20 的航空發(fā)動機，屆時渦輪進口溫度將達到計劃實施旨在加速提升航空發(fā)動機和燃氣輪機技術的重大專項研動機核心技術。

航空發(fā)動機要能夠在如此嚴酷的環(huán)境下安溫材料和熱障涂層；另一方面則需要發(fā)展高效的前工程可用的航空發(fā)動機高溫部件材料的工作溫使得工作溫度提高 150~200℃，雖然新型耐高溫仍然無法滿足航空發(fā)動機渦輪進口溫度的提升需部件熱負荷的基礎，耐高溫材料和熱障涂層的研對渦輪葉片的冷卻而言，目前已經(jīng)形成了由渦輪葉片冷卻結(jié)構(gòu)如圖 1.2 所示，內(nèi)部射流沖擊合冷卻方式逐漸進入工程應用，大幅度提高了冷卻由于其高效冷卻特性成為航空發(fā)動機熱端部件多股冷氣流，通過壁面上開設的噴口以一定角度護形式，如圖 1.3 所示，其噴口可以是縫隙或者氣和壁面的作用，同時也能冷卻燃氣側(cè)高溫壁面卻效果的提升占據(jù)主導作用。

圖 1.5 速度比對壁面溫度的影響人[42]指出影響對流換熱系數(shù)最大的因素是吹風比。Ligrani 等人[膜孔密集排布和稀疏排布時的發(fā)散冷卻實驗研究，對比分析了氣和對流換熱系數(shù)的影響規(guī)律，研究結(jié)果表明氣膜孔密集排布的冷換熱系數(shù)均高于氣膜孔稀疏排布結(jié)構(gòu)。Nguyen 等人[44]通過實驗的冷卻氣膜層的形成和發(fā)展的影響規(guī)律，圖 1.6 為氣膜冷卻效率和況，研究結(jié)果表明，在第四排孔后，氣膜層逐漸趨于均勻穩(wěn)定，流的繼續(xù)疊加，上游氣膜射流形成的氣膜層會很快消散。

【參考文獻】

相關期刊論文 前10條

1 楊衛(wèi)華;盧聰明;鄭建文;;氣膜-發(fā)散冷卻結(jié)構(gòu)冷卻效果的實驗研究[J];南京航空航天大學學報;2014年04期

2 朱惠人;駱劍霞;黃小楊;劉志剛;;主流壓力梯度對氣膜孔流量系數(shù)影響機理[J];航空動力學報;2014年09期

3 秦晏e

本文編號：2760042