雙排離散孔氣膜冷卻效率疊加預(yù)測(cè)方法研究

發(fā)布時(shí)間：2020-09-24 13:16

　　氣膜冷卻是先進(jìn)燃?xì)廨啓C(jī)渦輪葉片中經(jīng)常應(yīng)用的外部冷卻方法,冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中通常在葉片前緣、吸力面及壓力面等位置布置多排氣膜孔。為了衡量多排氣膜的冷卻效果,工程應(yīng)用中可以利用已知的單排氣膜冷卻效率數(shù)據(jù)并采用疊加預(yù)測(cè)方法來進(jìn)行估算。但受到實(shí)際工況的限制,疊加預(yù)測(cè)結(jié)果精確度不高、偏差較大。因此,了解氣膜間的相互作用機(jī)理,得到多排氣膜冷卻效率疊加預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性規(guī)律,有利于提供準(zhǔn)確的渦輪葉片熱邊界條件,對(duì)渦輪葉片的熱分析及冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有著重要的意義。本文重點(diǎn)研究了雙排離散氣膜孔后射流間的相互作用規(guī)律,針對(duì)影響冷卻效率疊加計(jì)算準(zhǔn)確性的典型氣動(dòng)及幾何影響因素進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)及數(shù)值模擬研究。平板模型流動(dòng)狀態(tài)簡(jiǎn)單,能夠?qū)α鲃?dòng)及換熱過程進(jìn)行精確的分析,本文首先對(duì)平板雙排圓柱型孔及異型孔的氣膜冷卻效率疊加預(yù)測(cè)規(guī)律進(jìn)行了研究;葉片模型研究更貼近實(shí)際問題,在平板模型的基礎(chǔ)上,本文分析了葉柵通道內(nèi)雙排圓柱孔以及異型孔氣膜冷卻效率疊加預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。文中通過實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到了精確的冷卻效率疊加預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性規(guī)律;同時(shí)采用數(shù)值模擬方法對(duì)流場(chǎng)及溫度場(chǎng)進(jìn)行了分析,揭示了氣膜孔后射流間的相互作用規(guī)律,發(fā)現(xiàn)了影響多排冷卻效率疊加預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性的根本原因;最后在傳統(tǒng)的氣膜冷卻效率疊加計(jì)算公式的基礎(chǔ)上進(jìn)行了修正,總結(jié)了更準(zhǔn)確的冷卻效率疊加預(yù)測(cè)方法。平板氣膜冷卻效率疊加預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性研究部分,文中首先以二維縫孔為基準(zhǔn)分析了Sellers疊加預(yù)測(cè)方法的適用性。對(duì)于三維離散圓柱孔,主要對(duì)比分析了吹風(fēng)比、氣膜孔排列方式、氣膜孔排間距以及孔偏角對(duì)于雙排氣膜冷卻效率疊加預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性的影響。同時(shí)與圓柱孔相對(duì)應(yīng),研究了異型孔(收縮擴(kuò)張型孔)的疊加預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性。對(duì)于二維縫型氣膜孔結(jié)構(gòu),射流在主流作用下容易貼附壁面,氣膜在展向覆蓋均勻,前后排氣膜間相互作用較弱,此時(shí)冷卻效率疊加預(yù)測(cè)方法的準(zhǔn)確性較高。對(duì)于圓柱型氣膜孔結(jié)構(gòu),小吹風(fēng)比時(shí)前后排射流間的相互作用弱、疊加計(jì)算準(zhǔn)確性較高;隨著吹風(fēng)比增大,孔后對(duì)渦范圍擴(kuò)大,前后排氣膜間作用增強(qiáng),疊加計(jì)算準(zhǔn)確性下降。氣膜孔排列方式會(huì)影響疊加計(jì)算的準(zhǔn)確性:順排結(jié)構(gòu)前后排射流在氣膜孔展向相互重疊,射流間為“層狀”疊加,且前后排外卷對(duì)渦轉(zhuǎn)向相同,前排渦結(jié)構(gòu)對(duì)后排氣膜起到“抽吸”作用,氣膜覆蓋性變差,此時(shí)冷卻效率疊加預(yù)測(cè)結(jié)果偏高;叉排結(jié)構(gòu)前后排射流在氣膜孔展向交錯(cuò)排列,射流間為“塊狀”疊加,前后兩排射流間的相互作用較弱,前后排的外卷對(duì)渦在交匯位置處轉(zhuǎn)向相反,兩排氣膜間有相互擠壓作用,氣膜覆蓋性較好,叉排結(jié)構(gòu)疊加預(yù)測(cè)結(jié)果偏低�？着啪嚯x影響冷卻效率疊加計(jì)算準(zhǔn)確性,小孔排間距條件下兩排氣膜孔間作用強(qiáng)烈,疊加預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性較差;大孔排間距下,前排射流對(duì)后排射流影響減弱,冷卻效率疊加計(jì)算準(zhǔn)確性較好。當(dāng)氣膜孔存在偏角時(shí),孔后外卷腎型對(duì)渦退化成單支渦,兩排射流間的作用減弱,冷卻效率疊加預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性好。收縮擴(kuò)張型氣膜孔后流場(chǎng)為一內(nèi)卷對(duì)渦結(jié)構(gòu),射流法向速度分量小展向速度分量大,氣膜展向覆蓋較好,射流呈現(xiàn)出一定的“二維性”。前后排氣膜間的相互作用與二維縫型孔相類似,冷卻效率疊加計(jì)算準(zhǔn)確性較好。整體上看,氣膜冷卻效率疊加預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性主要取決于前后氣膜間的相互作用,且與吹風(fēng)比及孔下游距離相關(guān),因此針對(duì)Sellers疊加計(jì)算公式的疊加項(xiàng)引入了上述兩個(gè)參數(shù)進(jìn)行了修正,得到了更準(zhǔn)確的冷卻效率疊加預(yù)測(cè)方法。葉片圓柱孔氣膜冷卻效率疊加預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性研究部分,除了吹風(fēng)比、排列方式等影響因素外,本文研究了葉片型面變化對(duì)氣膜冷卻效率疊加計(jì)算準(zhǔn)確性的影響。葉片型面變化對(duì)氣膜冷卻疊加特性的影響主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面:葉片表面曲率及葉柵通道內(nèi)主流壓力梯度的影響。渦輪葉片吸力面為凸面,吸力面腮區(qū)上游曲率較大下游曲率較小;腮區(qū)前主流為順壓力梯度流動(dòng),腮區(qū)后主流逆壓力梯度流動(dòng)。受到通道內(nèi)順壓力梯度的作用,吸力面氣膜孔后射流更易貼近壁面。此外受到型面曲率作用,吸力面孔后射流湍流度較低射流穩(wěn)定性高、氣膜貼附性強(qiáng)。對(duì)于本文研究的吸力面圓柱型氣膜孔結(jié)構(gòu),小吹風(fēng)比下吸力面氣膜孔后氣膜貼附性強(qiáng),前后射流間相互作用弱,冷卻效率疊加預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性較好;隨著吹風(fēng)比增大疊加計(jì)算準(zhǔn)確性略有降低。吸力面叉排圓柱型氣膜冷卻結(jié)構(gòu)的疊加計(jì)算準(zhǔn)確性更高。渦輪葉片壓力面的型面影響與吸力面相反,氣膜孔后射流穩(wěn)定性較差,氣膜容易脫離壁面,前后排氣膜間相互作用較強(qiáng),冷卻效率疊加預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性相比于吸力面較差。葉片異型孔氣膜冷卻效率疊加預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性研究部分,文中研究了簸箕型氣膜孔及收縮擴(kuò)張型氣膜孔兩種結(jié)構(gòu)在葉柵通道內(nèi)的冷卻效率疊加預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性。由于簸箕型氣膜孔出口擴(kuò)張作用,射流法向動(dòng)量降低展向動(dòng)量增大,氣膜不易脫離壁面且在展向覆蓋較寬,孔后流向覆蓋距離較短。吸力面簸箕型孔的前后排射流間相互作用弱,冷卻效率疊加計(jì)算準(zhǔn)確性較好。壓力面上簸箕型氣膜孔后反轉(zhuǎn)對(duì)渦結(jié)構(gòu)范圍擴(kuò)大,前后兩排氣膜間的作用強(qiáng),氣膜冷卻效率疊加預(yù)測(cè)結(jié)果偏高。收縮擴(kuò)張型氣膜孔后為內(nèi)卷對(duì)渦,氣膜在展向分布均勻,法向貼壁性好,特別是在葉片吸力面氣膜間作用弱,冷卻效率疊加計(jì)算準(zhǔn)確性較好;壓力面孔后內(nèi)卷渦穩(wěn)定性變差,氣膜厚度增加,前后氣膜間相互作用更強(qiáng),但是由于前后排氣膜間類似于“層狀”疊加,收縮擴(kuò)張型氣膜孔在壓力面的冷卻效率疊加預(yù)測(cè)仍較準(zhǔn)確。
【學(xué)位單位】：西北工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：V232.4
【部分圖文】：

耐溫,高溫合金,航空發(fā)動(dòng)機(jī),極限