气膜孔角度对单排孔射流气膜冷却特性影响研究

发布时间：2020-07-04 08:39

【摘要】：涡轮外环位于发动机涡轮机匣和涡轮叶片之间,起到保护发动机机匣免受高温流场侵蚀和减少泄漏流动的作用。外环结构和附近燃气流动特点决定了外环表面既有复合角射流,又有逆向射流气膜冷却。有关气膜孔角度的研究局限于气膜孔小转角或单纯逆向射流,与涡轮外环对应的大转角射流气膜冷却未见报道。复合角气膜冷却特性的研究可以为优化涡轮外环圆柱孔射流气膜冷却设计提供数据支撑。为探讨气膜孔角度对圆柱孔气膜冷却特性的影响,数值模拟分析了射流角为15°、45°和75°,转角分别为0°、60°、120°和180°圆柱孔在不同吹风比的气膜冷却效率。结果表明:三种射流角中,射流角15°具有最佳的气膜冷却效率和展向覆盖面积,其中60°转角具有最高的展向平均气膜冷却效率。三种射流角下,转角180°结构都随着吹风比的增加,冷气展向覆盖范围增加,气膜冷却效率提高。转角0°结构随着吹风比的增加,冷气展向覆盖范围减少,气膜冷却效率降低。射流角75°结构下,转角对气膜冷却效率的影响较小,漩涡结构明显,容易使冷气脱离壁面;转角180°结构具有最稳定的气膜冷却效率,三种吹风比下展向平均气膜冷却效率差异在10%以内。为提高涡轮外环气膜冷却效率,在孔槽结构基础上提出圆孔-半椭圆槽结构。为揭示圆孔-半椭圆槽结构强化冷却的机理,数值模拟研究了圆孔-半椭圆型槽组合结构下游流场、温度场及气膜冷却效率。分析了不同吹风比下半椭圆槽深度对气膜冷却特性的影响。结果表明:吹风比0.5和1.5时,和锯齿槽相比,半椭圆槽更容易形成反向对漩涡,半椭圆槽展向平均气膜冷却效率提高5%-119%。随着半椭圆槽深度的增加,孔间区域的气膜冷却效率提高,展向气膜冷却效率分布更均匀。吹风比0.5时,槽深度对半椭圆槽展向平均气膜冷却效率的影响很小,三种槽深的差距在15%以内。吹风比1.5时,半椭圆槽深度为0.5倍孔径的展向平均气膜冷却效率最佳,分别比槽深度为0.25倍和0.75倍孔径的半椭圆槽高55%-107%和2%-16%。
【学位授予单位】：沈阳航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：V231
【图文】：

昆仑,发动机

防事业起到了积极作用。航空发动机作为工业皇冠上的明珠在航空工业发展中起着举足轻重的作用，极大促进了人类文明的进步，对世界各国政治、军事和经济都产生了深远影响。十三五期间，国家列出一百个重大专项，航空发动机及燃气轮机列在第一位，可见国家对“两机”的重视。习近平总书记还指出，加速实现航空发动机及燃气轮机自主研发和生产制造，为把我国建设成航空强国而不懈努力奋斗！建国初期，国家工业基础薄弱，仿制生产了涡喷-6、涡喷-7 等型号发动机，实现了航空发动机的独立生产。昆仑发动机（图 1.1）是我国首个完成设计，制造，试飞整个过程的涡喷发动机，为之后的发动机设计流程起到了指导作用。为了实现发动机的自主研发，科研工作者经过不懈努力，终于拥有了具有独立知识产权的发动机-太行发动机。图 1.2 为太行发动机，太行发动机是三级涡扇发动机，具有大推重比，主要装备在歼-11上。随着航空发动机推力的增加，涡轮前温度不断提高，目前四代发动机涡轮前温度已经达到 1800K，远远超出发动机热端部件的熔点，这就需要实施有效冷却措施来保证发动机能够正常运行[1,2]。

太行,发动机

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