涡轮叶片蜿蜒通道整流减阻机制及换热特性研究

发布时间：2020-08-08 17:00

【摘要】：涡轮叶片蜿蜒通道结构设计对于高效利用冷气、强化叶片冷却效果和提高涡轮进口燃气温度进而提高发动机效率具有重要的意义。本文以静叶中典型的U型蜿蜒通道为研究对象,设计了一系列异型导流片结构并通过数值和试验的方法研究其在通道内部的整流减阻效果和强化换热特性;并提取各减阻构件的敏感参数,完成了其组合影响规律的研究。本文首先介绍了数值计算方法和采用瞬态液晶的试验测量方法,并对其准确性分别进行了验证。对不同雷诺数下(Re=30000,40000,50000,60000)带有不同周向长度的7种异型导流片U型通道及简单光滑通道的流动和换热特性进行数值研究,对Re=30000下典型结构进行试验验证。研究中发现:导流片能够显著降低过弯流体对通道外壁面的碰撞损失,有效控制过弯分离涡的大小,改变弯道二次流结构以减小通道压损;强化弯道处的换热能力,改善弯道出口处换热分布的不均匀性。对于90°、135°、180°三种周向角度的导流片通道,增大角度有利于发挥导流片的整流效果,降低通道阻力系数比,同时弯道处强化换热效果更加平均。导流片尾部延伸段结构可以进一步限制过弯分离涡的发展,从而显著降低压损;在4种延伸段长度(P/d=0.1,0.25,0.5,1)方案中,随着长度增大,通道阻力系数比先减小后增大,综合热性能的变化则完全相反。研究结果表明,相比于简单光滑通道,带导流片通道的阻力系数比最大减小约60%,综合热性能最多能提高26%。对于本研究中的8种U型通道,雷诺数对其流场结构和换热分布趋势几乎没有影响,仅阻力系数比均随着雷诺数增大而增大,而综合热性能随着雷诺数增大而减小。在此基础上,本文针对三种隔板厚度(T/d=0.2,0.5,1)、两种回流弯头(圆形弯头和方形弯头)及三种导流片径向距离(W_r/W=0.2,0.33,0.5)的多种交叉组合模式开展了数值研究。计算结果表明:增大隔板厚度可以抑制过弯流动分离,减小压损,但整体换热性能也有所下降。对于两种弯头结构,当隔板较薄时,方形弯头的阻力系数比略高于圆形弯头;随着隔板地加厚,二者的差值越来越大,最大约8%。导流片径向距离对阻力系数比的影响与隔·板厚度有关,当隔板较薄时,径向距离偏小的导流片减阻效果较好,当隔板较厚时则相反。
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：V231;TK124
【图文】：

空发动机燃气涡轮的总体效率，涡轮进口燃气温度逐年提产生了巨大的热负荷，不仅对飞行可靠性带来了不利的影命。除了继续寻找和开发耐高温叶片材料之外，更多的研前叶片冷却方法主要有气膜冷却、冲击冷却、蜿蜒通道冷围内工作。看到，涡轮叶片前缘部分主要采用气膜冷却方式，通过处通过冷却孔出流，在叶片外部形成一层“保护膜”，来达到冷却效果。涡轮叶片尾缘通道中，通过设置扰流柱来片的内部空腔中，气流经过由多个 180°弯道组成的蜿蜒通量，并从叶尖排出。早期的叶片冷却手段多是在叶片空腔动换热理论的日趋成熟和燃气温度的升高，单独的直通道却的要求，所以这种蜿蜒通道的冷却方式就应运而生。这避免开设多个进气口，又能增大冷气与固体壁面的接触面

[12]在研究不同AR下U型通道换热特点中，通过偏移隔板来实现变截面流动（如图1.2），使用萘升华法观测壁面换热能力。得到如下结论：改变AR对于渐扩和平直通道只影响弯道处和弯道后区域的换热效果，而对于渐缩通道道则影响全部区域；端壁附近的最大换热水平随着AR增大在尺度和强度上均有所衰退，平直和渐扩通道中弯道后外壁面附近的最小换热水平在尺度和强度上都会变大；壁面平均换热水平与AR的变化趋势相反，压损系数

Kumar[19]使用大涡模拟对带有间断和完整的V型肋的U型通道（如图1.3）进行换热研究，发现间断的V型肋片可以产生更强烈的漩涡，这一系列涡的对流可以使分离剪切层更好的发展，提高再附着区域的换热水平，强化换热效果较完整V型肋更显著。Liou[20]使用PIV和红外热像仪

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本文编号：2785844