带横流涡轮叶片前缘冲击冷却流动和换热的研究

发布时间：2020-05-19 11:02

【摘要】：为了获得更高的热效率,现代航空发动机\燃气轮机需要不断提高涡轮入口温度,这会造成叶片热负荷不断增大,使得热应力增加,对叶片产生极大的危害,因此为了提高叶片使用寿命,保证安全运行,采用先进冷却技术降低涡轮叶片温度成为当前发动机研制的重点。在所有的强化换热技术中,冲击冷却可以直接对高温区域进行高效冷却,常被应用于涡轮叶片前缘的冷却中。在涡轮叶片的前缘由于射流结构和滞止区面积的限制,研究相对困难且较少,目前关于叶片前缘冲击冷却的研究逐渐向精细化和强化换热控制方面发展。本文以燃气涡轮第一级动叶前缘内的冲击冷却结构为研究对象,通过实验测量和数值计算相结合的方法研究了射流雷诺数、射流孔位置、射流腔旋转、靶面有无气膜孔等参数对靶面换热的影响,并利用涡发生器抑制横流对射流冲击的负面影响来强化靶面换热,分析了靶面换热规律及强化换热机理。同时,还对射流冲击通道内的非定常流动和换热的作用机制进行了探索。研究结果可为设计和开发高性能的叶片前缘冲击冷却结构提供理论指导。本文的主要内容包括:1.设计并搭建了单排射流冲击实验平台和带横流的单孔射流冲击实验平台。基于一维半无限大平板瞬态导热的假设,采用瞬态液晶测温技术,测量了射流冲击凹形靶面的换热系数。2.采用实验测量和数值计算相结合的方法对不同射流雷诺数下(Re_j=12000,15000和20000)射流孔位置偏移的影响进行了对比研究,定量分析了射流孔偏移对靶面换热的影响,揭示了靶面冲击换热强化机理。考虑动叶前缘的冲击冷却会受到旋转和气膜孔抽吸的影响,采用数值方法分别研究了射流腔旋转和靶面有气膜孔对靶面换热的影响。3.通过实验测量和数值计算相结合的方法研究了射流孔前的射流腔上壁面安置涡发生器对靶面换热的影响,对比了涡发生器安置角度、安置位置、涡发生器高度、不同横流雷诺数以及涡发生器形状的影响,揭示了涡发生器强化靶面冲击换热的作用机理。4.采用k-ωSST-DES方法对叶片前缘冲击冷却进行了非定常计算,分析了叶片前缘射流通道内的非定常流动和换热特性,揭示了流场的不稳定性引起壁面非定常换热的机理。并在此基础上,应用POD和DMD两种模态分解方法进一步分析了射流腔内的非定常换热特性。
【图文】：

内冷却,涡轮叶片

图 1-2 典型涡轮叶片内冷却结构[3]Fig.1-2 Typical external and internal cooling schemes for a turbine blade[3]诸多的冷却方式中，射流冲击冷却可以对高温区域进行直接和高效的冷却用于涡轮叶片的内部冷却中。但是，由于冲击冷却会消弱结构强度，因此常力比较大的区域，如静叶的中弦区域以及静叶和动叶的前缘区域。在静叶中由于靶面曲率半径比较大，常将靶面简化为平板结构研究；而在动叶前缘，小，不能简化为平板，常作为凹形靶面研究。与平板结构相比，凹形靶面由应的影响，，通道内流动和换热复杂，研究也相对较少，因而进一步对动叶前冷却进行精细化研究具有重要意义。一方面，通过一些主动或被动控制方法来提高靶面冲击换热也是叶片冲击中的另一个热点问题。目前许多新的控制方法在不断提出中，尤其是针对抑射流影响方面的控制方法。因此，对该类控制方法进一步研究，可以为开发的冲击冷却结构提供另一种途径。文针对涡轮动叶前缘冲击冷却通道内的流动和换热开展研究，对叶片前缘参数的影响进行精细化研究，分析靶面换热规律及强化换热机理。同时对射

示意图,射流冲击,单孔,流场结构

学博士学位论文第一章[4]，其单孔射流冲击示意图如图 1-3 所示。从图中可以看出，射流冲击区域：自由射流区、滞止区和壁面射流区。当流体从射流孔流出后，由在，射流会卷吸周围流体一起往下游运动。在冲击到壁面之前，因为受作用，射流速度急剧下降直至滞止，从而在壁面上形成四散的壁面射流个冷却区域。此外，从图中还可以得出，射流冲击冷却换热的强弱将受：射流孔径，射流孔至靶面的距离，射流雷诺数，射流角度以及射流孔 1969 年，Chupp 等人[5]通过实验方法在其研究模型上和测试范围内总上滞止区努塞尔数与一些参数的关联式，具体见公式(1-2)。0.7 0.8 0.4stagNu 0.44 Re ( d / s ) exp[ 0.85(l / d )( d / s )( d / D) ]000 Re 15000,4 s / d 16,1 l / d 10,1.5 D / d 16。
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：V231.1;TK471

【参考文献】