【摘要】：氣膜冷卻是現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)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(dòng)機(jī)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(guān)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?xì)鈧?cè)壁面附近形成相對(duì)完全覆蓋的氣膜層。本文針對(duì)發(fā)散冷卻的特點(diǎn),圍繞提高氣膜冷卻效率的目標(biāo),對(duì)發(fā)散冷卻結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn),以期獲得冷卻效果更好的冷卻結(jié)構(gòu)。主要研究?jī)?nèi)容包括:針對(duì)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(duì)發(fā)散冷卻流動(dòng)和換熱特性的影響規(guī)律;針對(duì)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(duì)發(fā)散冷卻流動(dòng)和換熱特性的影響規(guī)律;針對(duì)發(fā)散冷卻結(jié)構(gòu)上游氣膜冷卻效率較低的特點(diǎn),前端加狹縫冷卻結(jié)構(gòu),研究狹縫射流對(duì)發(fā)散冷卻流動(dòng)和換熱特性的影響規(guī)律。首先,針對(duì)平底形橫向波紋壁面發(fā)散冷卻結(jié)構(gòu),研究了吹風(fēng)比、波紋高度、波紋長(zhǎng)度、氣膜孔孔徑、氣膜孔排布方式和開孔率等參數(shù)對(duì)發(fā)散冷卻結(jié)構(gòu)流動(dòng)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(shì),同時(shí)在任意吹風(fēng)比下,其展向平均氣膜冷卻效率沿流動(dòng)方向均呈現(xiàn)逐漸增加之后趨于平穩(wěn)的趨勢(shì),并且氣膜冷卻效率隨著吹風(fēng)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(zhǎng)度的變化對(duì)展向平均氣膜冷卻效率影響很小,隨著波紋長(zhǎng)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(duì)于氣膜孔孔徑和開孔率的變化對(duì)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(duì)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(duì)流量系數(shù)的影響能力,氣膜孔孔徑以及間距比對(duì)流量系數(shù)的影響可以忽略不計(jì)。其次,針對(duì)主流順/逆壓力梯度下的發(fā)散冷卻結(jié)構(gòu),研究了吹風(fēng)比和主流通道收縮比等參數(shù)對(duì)發(fā)散冷卻結(jié)構(gòu)流動(dòng)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(shí),氣膜射流對(duì)主流的穿透會(huì)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(fēng)比較小時(shí),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?xí)纬赡媪?吹風(fēng)比較大時(shí),氣膜射流的速度增加,主流對(duì)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(duì)主流的穿透,在氣膜射流沿流動(dòng)方向逐漸疊加的作用下,氣膜層的厚度得到改善,同時(shí)對(duì)壁面的保護(hù)也得到改善。因而,吹風(fēng)比較小時(shí),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(shí)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(dāng)吹風(fēng)比較大時(shí),主流流向壓力梯度的變化對(duì)展向平均氣膜冷卻效率的影響相對(duì)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(shí)吹風(fēng)比較小時(shí),主流順壓力梯度使得熱側(cè)對(duì)流換熱系數(shù)增大,而主流逆壓力梯度則導(dǎo)致熱側(cè)對(duì)流換熱系數(shù)減小,吹風(fēng)比較大時(shí),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(duì)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(duì)流換熱系數(shù)增大。最后,針對(duì)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(fēng)比和狹縫結(jié)構(gòu)等參數(shù)對(duì)組合冷卻結(jié)構(gòu)流動(dòng)和換熱特性的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明:對(duì)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(shí)氣膜冷卻效率沿流動(dòng)方向逐漸降低,而冷氣流量較大時(shí),氣膜冷卻效率先是略微減小,之后沿流動(dòng)方向逐漸升高。對(duì)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(duì)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(fēng)比相同時(shí),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(shí),由于狹縫射流的分流使得發(fā)散孔吹風(fēng)比降低,在冷氣流量較小時(shí),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(shí),雖然狹縫-發(fā)散冷卻結(jié)構(gòu)發(fā)散孔吹風(fēng)比較小,但是此時(shí)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(duì)上游區(qū)域熱側(cè)對(duì)流換熱系數(shù)有明顯的影響,在相同的發(fā)散孔吹風(fēng)比時(shí),由于狹縫射流的存在,使得狹縫-發(fā)散冷卻結(jié)構(gòu)的對(duì)流換熱系數(shù)降低,雖然狹縫射流存在時(shí),總的冷氣流量增加,但是下游遠(yuǎn)離狹縫射流影響的區(qū)域,對(duì)流換熱系數(shù)基本無變化。
【學(xué)位授予單位】：南京航空航天大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：V233.5
【圖文】：

在航空、船舶、電力、能源等國(guó)防和國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要領(lǐng)域有著廣展，燃?xì)廨啓C(jī)性能不斷提高，燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展已經(jīng)成為等綜合實(shí)力的一個(gè)重要標(biāo)志，受到了世界各國(guó)的普遍關(guān)注。學(xué)的基本原理，提高燃?xì)廨啓C(jī)熱力循環(huán)的最高溫度是改善燃?xì)廨喓娇瞻l(fā)動(dòng)機(jī)為例，圖 1.1 反應(yīng)了最近幾十年來航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪進(jìn) 60 年代以來，渦輪進(jìn)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(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)，仍需進(jìn)一未來航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，歐美等航空發(fā)達(dá)國(guó)家持續(xù)出臺(tái)劃，譬如，美國(guó)國(guó)防部啟動(dòng)的“綜合高性能渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)”（IH的研究目標(biāo)是：推重比增加 100%~120%，渦輪進(jìn)口溫度提高 500%[3]。在此基礎(chǔ)上美國(guó)又啟動(dòng)了 “通用經(jīng)濟(jì)可承受的先進(jìn)渦輪發(fā)ET 計(jì)劃的延續(xù)[4]。英國(guó)也開展了“先進(jìn)核心軍用發(fā)動(dòng)機(jī)計(jì)劃”（A20 年驗(yàn)證推重比為 20 的航空發(fā)動(dòng)機(jī)，屆時(shí)渦輪進(jìn)口溫度將達(dá)到計(jì)劃實(shí)施旨在加速提升航空發(fā)動(dòng)機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)的重大專項(xiàng)研動(dòng)機(jī)核心技術(shù)。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)要能夠在如此嚴(yán)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(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)渦輪進(jìn)口溫度的提升需部件熱負(fù)荷的基礎(chǔ)，耐高溫材料和熱障涂層的研對(duì)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(jìn)入工程應(yīng)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(dòng)機(jī)熱端部件多股冷氣流，通過壁面上開設(shè)的噴口以一定角度護(hù)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(shí)也能冷卻燃?xì)鈧?cè)高溫壁面卻效果的提升占據(jù)主導(dǎo)作用。

圖 1.5 速度比對(duì)壁面溫度的影響人[42]指出影響對(duì)流換熱系數(shù)最大的因素是吹風(fēng)比。Ligrani 等人[膜孔密集排布和稀疏排布時(shí)的發(fā)散冷卻實(shí)驗(yàn)研究，對(duì)比分析了氣和對(duì)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(shí)驗(yàn)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(huì)很快消散。

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)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(shí)驗(yàn)研究[J];南京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào);2014年04期

2 朱惠人;駱劍霞;黃小楊;劉志剛;;主流壓力梯度對(duì)氣膜孔流量系數(shù)影響機(jī)理[J];航空動(dòng)力學(xué)報(bào);2014年09期

3 秦晏e

本文編號(hào)：2760042