考虑径向传热的对流冷却涡轮叶片传热模型研究

发布时间：2020-05-25 05:43

【摘要】：随着航空发动机性能不断提高,其热效率和输出功率不断增加,涡轮进口温度不断提高,涡轮叶片的工作环境愈加恶劣。过高的温度不仅会导致涡轮叶片热负荷增大,而且极易造成叶片结构烧蚀,影响叶片的正常工作和使用寿命。因此需要为涡轮叶片设计冷却系统以保护叶片,解决该问题。常见的涡轮叶片冷却可以分为内部冷却和外部冷却两大类型,其中,内部冷却是外部冷却的基础。同时,涡轮冷却的常用研究方法包括管网法,三维数值模拟法和实验方法等。本文针对涡轮展开内部冷却研究,主要建立以内部冷却流体为研究对象的流体管网和以叶片为研究对象的叶片一维、二维传热模型,并将它们的计算结果分别同叶片三维数值模拟结果作了对比。文中的主要研究内容如下:1)基于动量、能量和质量守恒原理,推导了节流单元的动量方程、能量方程与节点的连续性方程、能量方程,给出了简单内部冷却元件、冲击冷却元件等元件的换热系数和摩擦系数实验关联式,以节点单元的压力平衡和温度平衡作为求解条件,构建了含有冲击冷却的涡轮导叶叶片内部冷却通道流体管网模型。该模型预测的冷气温度与CFD气热耦合数值模拟的结果具有较为接近的变化规律,表明流体管网法能够用于含有冲击冷却的涡轮导叶内部冷却通道流体计算。2)以叶片为研究对象,考虑垂直于壁面方向(法向)传热,构建叶片一维传热模型。根据简化的冷却叶片一维传热示意图,截取一定高度处的叶片微元,应用理论分析的方法,分别求解得到微元处叶片内壁面换热量、叶片外壁面换热量和叶片内部导热量,结合内部冷却气体能量方程,建立了冷气温度沿叶高方向的微分关系式。在给定内部冷气进口温度条件后,获得叶片内壁面温度、外壁面温度和冷气温度解析表达式。同时,将模型计算结果与文献数据和三维CFD模拟结果比较,结果表明一维传热模型计算耗时明显少,叶片一维模型可以实现对叶片壁面温度的快速预测。3)提出了叶片二维传热模型,模型中同时考虑叶片径向(叶高方向)传热和与壁面垂直方向(法向)传热,能够考虑叶片进口径向温度不均匀性和叶顶、叶根冷却效应。基于考虑叶片径向传热后简化得到的二维传热微元,通过理论分析,给出了微元内的二维导热方程,边界条件包括燃气侧换热系数、燃气温度、叶顶热流密度、叶根热流密度等。燃气侧换热系数、燃气温度从叶片设计阶段以绝热固壁为边界条件模拟的三维CFD流场中获取。为了提高模型的易用性,模型中根据内部冷却通道的位置、个数对叶片分区,并沿着叶片径向方向分段,各叶片段内给定相同的边界条件。应用差分方法,分别得到二维传热方程、燃气侧边界条件、冷气侧边界条件、叶顶边界条件、叶根边界条件、冷气方程等差分格式。同时,以E3涡轮第一级导叶为例,对比二维传热模型与三维CFD叶片壁面温度计算结果。对比结果表明,此模型能够适用于内外壁面存在温差的涡轮叶片,模型计算的温度分布变化趋势与三维CFD结果相近,温度最大值与最小值位置相同,最大计算误差不超过6.5%,计算耗时可以减少95%。此外,与叶片一维传热模型的对比结果表明,叶片二维传热模型计算误差更小。二维叶片传热模型可以确定涡轮对流冷却叶片的冷气需求量,准确、快速地给出叶片外壁面的温度分布。
【图文】：

图（ｃ）绕流冷却逦图（ｄ）气膜冷却逡逑图１．１多种冷却结构示意图１３１逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１．１邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｓｋｅｔｃｈｅｓ邋ｏｆ邋ｖａｒｉｏｕｓ邋ｃｏｏｌｉｎｇ邋ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ逡逑研宄涡轮冷却技术对于提高我国航空发动机的整体性能尤为重要。其中，内逡逑部冷却是涡轮冷却的一种重要形式，也是涡轮外部冷却的重要基础，故有必要针逡逑对内部冷却展开研宄。目前，针对内部冷却叶片，若建立合适的计算模型，快速逡逑预测冷却叶片温度与冷却流体参数变化，有助于缩短冷却叶片设计计算周期，本逡逑文对这一问题展开相关的研究工作。逡逑１．２国内外研究现状逡逑早期的涡轮叶片内部冷却研宄主要通过实验进行，研究人员通过模型实验获逡逑得不同内部冷却结构的冷却实验数据，由于实验数据是离散的，为了方便后续的逡逑实际应用，提出换热系数和摩擦系数（损失系数）等拟合经验公式用于预测冷却逡逑效果

图（ｃ）绕流冷却逦图（ｄ）气膜冷却逡逑图１．１多种冷却结构示意图１３１逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１．１邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｓｋｅｔｃｈｅｓ邋ｏｆ邋ｖａｒｉｏｕｓ邋ｃｏｏｌｉｎｇ邋ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ逡逑研宄涡轮冷却技术对于提高我国航空发动机的整体性能尤为重要。其中，内逡逑部冷却是涡轮冷却的一种重要形式，也是涡轮外部冷却的重要基础，故有必要针逡逑对内部冷却展开研宄。目前，，针对内部冷却叶片，若建立合适的计算模型，快速逡逑预测冷却叶片温度与冷却流体参数变化，有助于缩短冷却叶片设计计算周期，本逡逑文对这一问题展开相关的研究工作。逡逑１．２国内外研究现状逡逑早期的涡轮叶片内部冷却研宄主要通过实验进行，研究人员通过模型实验获逡逑得不同内部冷却结构的冷却实验数据，由于实验数据是离散的，为了方便后续的逡逑实际应用，提出换热系数和摩擦系数（损失系数）等拟合经验公式用于预测冷却逡逑效果
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院工程热物理研究所)
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：V231.1

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本文编号：2679664