燃气涡轮叶片中新型扰流结构的换热和流动研究

发布时间：2020-06-17 06:07

【摘要】：航空燃气轮机是现代飞机的主要动力来源,其发展水平直接反映了航空产业的先进程度。作为燃气轮机的动力部件,涡轮的表现对发动机的整体性能至关重要。为了获得更大的推力和更高的气动效率,涡轮前的燃气温度不断提高,已经远远超过先进叶片材料的承受温度,因此需要为叶片设计有效、可靠的冷却结构,以保证涡轮乃至整个发动机的稳定运行。带肋通道和柱肋排通道是涡轮叶片内部冷却的典型形式,扰流肋和柱肋是影响通道性能的主要因素,具有较大的改进潜力。本文采用数值模拟的的方法,在冷却通道中对传统扰流结构进行了几何改进,以进一步改善换热性能,其中选择典型的通道进口雷诺数范围10 000~60 000。本文提出了新型的波浪肋,以强化涡轮叶片中部冷却通道的换热性能,并改善流动特性。将简单的波浪肋结构与传统扰流肋进行了初步的性能对比。结果发现,波浪肋具有进一步改善带肋壁面换热同时降低通道压损的潜力,是下文的主要研究对象。在三种常见的45°斜肋、45°V型肋和45°W型肋中,选择换热改善性能最好的45°V型肋作为波浪肋的对比方案,以进一步凸显优化设计后的波浪肋在改善换热和降低压损方面的优势。本文提出新型的多重射流板,以进一步改善涡轮叶片尾缘的换热性能。与传统柱肋排进行了换热改善性能和流动压损的对比,明确了多重射流板的性能。多重射流板的特点鲜明:换热改善性能非常好、引起的压损较大和结构复杂,同时在涡轮叶片尾缘宽通道的典型雷诺数范围内具有较好的热性能。对多重射流板的主要几何参数射流距离和射流板厚度进行了初步研究,并考虑了多种典型雷诺数,发现换热性能和压损均与二者大小成反比。在静止单通道中研究了波浪肋几何参数肋高、倒圆角半径、肋角和肋厚对其性能的影响,同时考虑了雷诺数的影响。选择带肋壁面附近和通道横截面上的流场分布进行分析,同时给出通道整体的压损系数,发现波浪肋的导流作用是有效控制压损的主要原因。带肋壁面是冷却通道的最重要的换热表面,其换热性能是主要研究对象,同时对光滑侧壁面的换热性能也有所研究。根据本文中等壁温的边界设置,与带肋壁面对应加热面的热流量或热流密度是衡量扰流肋换热改善性能的最终参数,同时给出带肋壁面的努塞尔数比、热性能和面积提高值、波浪肋在带肋壁面上的换热贡献和换热面积比以明确各个几何参数对通道壁面换热的影响。在U型通道中研究了波浪肋对冷气流动和所有壁面换热的影响,同时考虑了旋转的影响。通过给出带肋壁面附近的三维流场,分析波浪肋、旋转和折转段对冷气流动的影响。在此基础上,研究带肋壁面、侧壁面和顶壁面上的流动特性,探究了以上三个因素影响流动损失和壁面换热的原因。结合通道所有表面上努塞尔数比的分布,明确了波浪肋对旋转效应的影响。在涡轮叶片典型的静止单通道、静止和旋转U型通道中,对所有带肋壁面换热改善性能高于对比方案同时压损系数不升高的高性能波浪肋进行了归纳总结。带肋壁面对应加热面热流密度的提高值和通道压损系数的提高值是本文中衡量通道换热性能和流动特性的两个主要参数。给出波浪肋表面和端壁表面的热流量、波浪肋表面的换热面积比、波浪肋表面和端壁表面的努塞尔数比,发现自身具有较大的换热面积是高性能波浪肋改善带肋壁面换热的根本原因。研究了高性能波浪肋在不同雷诺数和旋转数下的性能,发现其具有较好的通用性,同时确定大的肋高是波浪肋的设计方向,大的倒圆角半径和小的肋角是进一步的设计方向。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：V232.4
【图文】：

叶片材料,不同时期,燃气温度,涡轮

哈尔滨工业大学工学博士学位论文着叶片设计的要求提高，需要能够稳定工作在高温、高压、今先进航空燃气轮机的涡轮前燃气温度高达 1700℃，远高于温度 1000℃，迫切需要设计先进、有效的冷却结构以保护叶来叶片材料耐受温度和涡轮前燃气温度的发展变化，可以看因此，涡轮叶片冷却技术的发展是先进燃气轮机设计的关键

示意图,涡轮叶片,冷却结构,示意图

扰流冷却柱肋冷却(b) 内部冷却图 1-2 涡轮叶片的典型冷却方式[3]Fig. 1-2 Typical cooling methods of the turbine blade一般情况下，涡轮叶片为空心结构，冷却形式分为外部冷却和内部冷却。在外部冷却中，气膜冷却是最重要的冷却形式。来自压气机的冷气由叶片内部流经叶身上微小孔排喷出并附着在叶片表面，将叶片与高温燃气隔开而达到冷却的目的。发汗冷却的作用机理与气膜冷却类似，叶片内部冷气通过由多孔材料构成的叶片壁面，在叶片表面形成均匀保护膜。热障涂层是另外一种常见的外部冷却技术，将耐热材料喷涂在叶片表面以阻断高温燃气起对叶片的侵蚀。在内部冷却中，冲击射流、带扰流肋的蛇形通道、柱肋排是三种主要形式，一般分别用于空间较大的叶片前缘、叶片中部、空间较小的叶片尾缘的冷却。其中，近似于冲击射流的层板冷却是一种的高效的内部冷却技术。图 1.2 给出了涡轮叶片上四种最常见的冷却方式，图 1-3 则展示了涡轮叶片上多种典型冷却结构的组合。Cooling AirHEndwall

【参考文献】