具有热障涂层的导向叶片的复合冷却数值研究

发布时间：2017-12-19 03:21

  本文关键词：具有热障涂层的导向叶片的复合冷却数值研究

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【摘要】：提高透平进口温度是提高航空发动机推力和热效率的主要技术手段,当今先进航空燃气轮机的进口温度已经远远超过现有透平叶片材料的许用温度。因此,发展冷却技术成为解决这一难题的关键。气膜冷却经过半个多世纪的发展,今天已广泛用于叶片的工程设计。在叶片冷却结构设计日趋复杂、冷却效果逐渐达到瓶颈的情况下,热障涂层(TBC)技术给叶片热防护带来了新的可能。为了准确预测透平叶片的使用寿命,需要得到叶片各部位温度场和热负荷信息,而气固耦合传热的数值方法是一种理想的分析手段。本文分别以ANSYS ICEM和Fluent作为网格划分和数值求解工具,使用SSTk-ω湍流模型,主要进行了以下几个方面的研究：1)在一个带TBC的气膜冷却平板上验证了TBC的计算处理方法的合理性,这个平板模拟的是透平叶片的下端壁,具有一排气膜孔。通过比较两种处理TBC的方案的温度和热流密度等数值计算,得出Fluent中处理TBC的简化方法的精度可以接受。2)在两种接近真实工况的条件下,对一个表面使用三种TBC策略(无、均匀和非均匀)的高度一体化复合冷却透平导向叶片进行了耦合数值计算,通过各部位质量流量、表面温度、综合冷却效率、换热系数、压力和Mach数等,详细分析了透平叶栅的流动和换热特性。3)针对一组给定的主流进、出口总压和主流、冷气总温条件,逐步减少冷气质量流量,使用耦合计算比较了无TBC和均匀TBC时,冷气质量流量变化对叶片表面和内部温度、换热系数等换热特性的影响。结果表明,TBC对前缘起到了重要的保护作用,有效降低前缘的金属表面温度；在金属表面平均温度相当的情况下,TBC可以节约20～30%的冷气质量流量。
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TK471

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本文编号：1306706