跨声速涡轮冷气喷射与激波相互影响的研究与应用
发布时间：2023-02-07 12:48
提高涡轮负荷是在不增加涡轮级数的前提下,提高涡轮做功能力,进而增加航空发动机整机推重比的直接手段。因此探究如何控制涡轮叶栅因高负荷而引发的激波损失增加、激波影响涡轮气膜冷却效果等问题愈加受到叶轮机械从业人员的重视。深入研究叶片不同位置的冷气喷射与激波之间的互相影响,可以为高负荷跨声速涡轮气膜冷却设计提供更多的参数选择依据,甚至能够使冷气射流参与到对流场的流动组织过程中来,提高叶栅的气动性能。本文首先采用数值模拟研究手段,对跨声速涡轮叶片尾缘压力面斜劈缝的长度、冷气流量对尾缘内伸激波强度的影响进行了研究。数值模拟过程中通过分别控制尾缘压力侧斜劈缝的长度以及尾缘劈缝冷气质量流量,对单个参数对叶栅气动性能的影响进行了全面的研究。结果表明,尾缘压力侧斜劈缝结构会使高出口马赫数跨声速涡轮叶栅尾缘内伸激波结构发生变化。压力侧斜劈缝的设计对尾缘激波强度的影响机理主要在于,较长的尾缘斜劈缝长度以及较大的冷气射流流量能够对高负荷跨声速涡轮叶栅尾缘附近来自压力侧的主流起到很好的阻挡作用。这种作用可使得主流燃气避免因受到劈缝结构的压缩作用而导致激波强度增大,并同时引起尾缘吸力侧来流的提前分离,导致尾迹宽度增...
【文章页数】：215 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
Abstract
符号表
第1章 绪论
1.1 研究背景及意义
1.2 高负荷跨声速涡轮叶栅内部流动
1.3 跨声速涡轮叶片冷气喷射
1.3.1 尾缘冷气喷射与损失
1.3.2 吸力面冷气喷射
1.3.3 静叶尾缘激波非定常扫掠对下游动叶前缘气膜冷却效果的影响
1.4 本文主要研究内容
第2章 数值模拟方法
2.1 引言
2.2 数值模拟工具简介
2.2.1 涡轮一维参数计算程序
2.2.2 涡轮S2 流面准三维计算程序
2.2.3 ANSYS CFX全三维流体力学数值模拟平台
2.3 湍流模型简介
2.4 网格生成工具简介
2.4.1 Icem CFD
2.4.2 AutoGrid5
2.4.3 哈工大发动机气体动力研究中心气冷涡轮网格自动生成程序
2.5 数值方法验证
2.6 本章小结
第3章 尾缘斜劈缝长度与冷气流量对跨声速涡轮叶栅气动性能的影响
3.1 引言
3.2 计算模型及研究方案介绍
3.2.1 计算模型及研究方案
3.2.2 计算域网格无关性分析
3.3 不同劈缝长度以及冷气流量对叶栅总参数的影响
3.3.1 对能量损失的影响
3.3.2 对掺混损失的影响
3.3.3 最大马赫数
3.4 不同劈缝长度以及冷气流量情况下叶片表面压力分布
3.4.1 相同斜劈缝长度下不同冷气流量对叶片表面压力分布的影响
3.4.2 相同冷气流量下不同斜劈缝长度对叶片表面压力分布的影响
3.5 不同冷气流量下不同尾缘劈缝长度的叶栅通道中马赫数分布
3.6 不同劈缝长度冷气流量对尾缘附近流动的影响
3.7 不同劈缝长度冷气流量对相邻叶片吸力面流动影响
3.8 本章小结
第4章 叶片吸力面切向槽冷气喷射对跨声速涡轮叶栅气动性能的影响
4.1 引言
4.2 计算模型及研究方案介绍
4.2.1 计算模型及研究方案
4.2.2 计算域网格无关性分析
4.3 不同几何以及冷气参数对叶栅总参数的影响
4.3.1 对能量损失的影响
4.3.2 对总压损失的影响
4.3.3 对叶栅最大马赫数的影响
4.4 B样条槽壁冷气槽对叶栅气动以及冷却性能的影响
4.4.1 对叶片表面压力分布的影响
4.4.2 对叶片表面气膜冷却效率分布的影响
4.4.3 对吸力面附近流场的影响
4.5 圆弧曲线槽壁冷气槽对叶栅气动以及冷却性能的影响
4.5.1 对叶片表面压力分布的影响
4.5.2 对叶片表面气膜冷却效率的影响
4.5.3 对吸力面附近流场的影响
4.6 本章小结
第5章 静叶尾缘激波非定常扫掠对动叶前缘气膜冷却效果的影响
5.1 引言
5.2 计算模型及研究方案介绍
5.2.1 计算模型及研究方案
5.2.2 计算域网格无关性分析
5.3 非定常激波扫掠对动叶前缘附近的影响
5.4 动叶前缘及压力面冷气喷射受扫掠激波的影响
5.4.1 前缘冷气喷射受激波的影响
5.4.2 压力面冷气喷射受激波的影响
5.5 动叶吸力面冷气喷射受扫掠激波的影响
5.5.1 吸力面0.05 相对弧长处冷气喷射受激波的影响
5.5.2 吸力面0.10 相对弧长处冷气喷射受激波的影响
5.5.3 吸力面0.15及0.20 相对弧长处冷气喷射受激波的影响
5.6 气膜孔下游时均气膜冷却效率
5.7 本章小结
第6章 考虑冷气影响的高负荷跨声速涡轮设计应用
6.1 引言
6.2 考虑冷气影响的单级高负荷涡轮设计应用
6.2.1 单级高负荷涡轮一维初步方案设计
6.2.2 单级高负荷涡轮S2 流面准三维设计
6.2.3 单级高负荷涡轮三维校核与分析
6.3 考虑冷气影响的两级高压涡轮设计应用
6.3.1 两级高压涡轮一维初步方案设计
6.3.2 两级高压涡轮S2 流面准三维设计
6.3.3 两级高压涡轮三维校核与分析
6.4 考虑冷气影响的对转涡轮设计应用
6.4.1 初步改型设计方案
6.4.2 改型方案中叶片气膜冷却设计
6.4.3 改型设计后涡轮的三维校核与分析
6.5 考虑冷气影响的缩放叶型高马赫数对转涡轮设计应用
6.5.1 初步方案设计
6.5.2 叶片气膜冷却设计
6.5.3 三维校核与分析
6.6 本章小结
结论
参考文献
攻读博士学位期间发表的论文
致谢
个人简历
本文编号：3736852
【文章页数】：215 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
Abstract
符号表
第1章 绪论
1.1 研究背景及意义
1.2 高负荷跨声速涡轮叶栅内部流动
1.3 跨声速涡轮叶片冷气喷射
1.3.1 尾缘冷气喷射与损失
1.3.2 吸力面冷气喷射
1.3.3 静叶尾缘激波非定常扫掠对下游动叶前缘气膜冷却效果的影响
1.4 本文主要研究内容
第2章 数值模拟方法
2.1 引言
2.2 数值模拟工具简介
2.2.1 涡轮一维参数计算程序
2.2.2 涡轮S2 流面准三维计算程序
2.2.3 ANSYS CFX全三维流体力学数值模拟平台
2.3 湍流模型简介
2.4 网格生成工具简介
2.4.1 Icem CFD
2.4.2 AutoGrid5
2.4.3 哈工大发动机气体动力研究中心气冷涡轮网格自动生成程序
2.5 数值方法验证
2.6 本章小结
第3章 尾缘斜劈缝长度与冷气流量对跨声速涡轮叶栅气动性能的影响
3.1 引言
3.2 计算模型及研究方案介绍
3.2.1 计算模型及研究方案
3.2.2 计算域网格无关性分析
3.3 不同劈缝长度以及冷气流量对叶栅总参数的影响
3.3.1 对能量损失的影响
3.3.2 对掺混损失的影响
3.3.3 最大马赫数
3.4 不同劈缝长度以及冷气流量情况下叶片表面压力分布
3.4.1 相同斜劈缝长度下不同冷气流量对叶片表面压力分布的影响
3.4.2 相同冷气流量下不同斜劈缝长度对叶片表面压力分布的影响
3.5 不同冷气流量下不同尾缘劈缝长度的叶栅通道中马赫数分布
3.6 不同劈缝长度冷气流量对尾缘附近流动的影响
3.7 不同劈缝长度冷气流量对相邻叶片吸力面流动影响
3.8 本章小结
第4章 叶片吸力面切向槽冷气喷射对跨声速涡轮叶栅气动性能的影响
4.1 引言
4.2 计算模型及研究方案介绍
4.2.1 计算模型及研究方案
4.2.2 计算域网格无关性分析
4.3 不同几何以及冷气参数对叶栅总参数的影响
4.3.1 对能量损失的影响
4.3.2 对总压损失的影响
4.3.3 对叶栅最大马赫数的影响
4.4 B样条槽壁冷气槽对叶栅气动以及冷却性能的影响
4.4.1 对叶片表面压力分布的影响
4.4.2 对叶片表面气膜冷却效率分布的影响
4.4.3 对吸力面附近流场的影响
4.5 圆弧曲线槽壁冷气槽对叶栅气动以及冷却性能的影响
4.5.1 对叶片表面压力分布的影响
4.5.2 对叶片表面气膜冷却效率的影响
4.5.3 对吸力面附近流场的影响
4.6 本章小结
第5章 静叶尾缘激波非定常扫掠对动叶前缘气膜冷却效果的影响
5.1 引言
5.2 计算模型及研究方案介绍
5.2.1 计算模型及研究方案
5.2.2 计算域网格无关性分析
5.3 非定常激波扫掠对动叶前缘附近的影响
5.4 动叶前缘及压力面冷气喷射受扫掠激波的影响
5.4.1 前缘冷气喷射受激波的影响
5.4.2 压力面冷气喷射受激波的影响
5.5 动叶吸力面冷气喷射受扫掠激波的影响
5.5.1 吸力面0.05 相对弧长处冷气喷射受激波的影响
5.5.2 吸力面0.10 相对弧长处冷气喷射受激波的影响
5.5.3 吸力面0.15及0.20 相对弧长处冷气喷射受激波的影响
5.6 气膜孔下游时均气膜冷却效率
5.7 本章小结
第6章 考虑冷气影响的高负荷跨声速涡轮设计应用
6.1 引言
6.2 考虑冷气影响的单级高负荷涡轮设计应用
6.2.1 单级高负荷涡轮一维初步方案设计
6.2.2 单级高负荷涡轮S2 流面准三维设计
6.2.3 单级高负荷涡轮三维校核与分析
6.3 考虑冷气影响的两级高压涡轮设计应用
6.3.1 两级高压涡轮一维初步方案设计
6.3.2 两级高压涡轮S2 流面准三维设计
6.3.3 两级高压涡轮三维校核与分析
6.4 考虑冷气影响的对转涡轮设计应用
6.4.1 初步改型设计方案
6.4.2 改型方案中叶片气膜冷却设计
6.4.3 改型设计后涡轮的三维校核与分析
6.5 考虑冷气影响的缩放叶型高马赫数对转涡轮设计应用
6.5.1 初步方案设计
6.5.2 叶片气膜冷却设计
6.5.3 三维校核与分析
6.6 本章小结
结论
参考文献
攻读博士学位期间发表的论文
致谢
个人简历
本文编号：3736852
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