涡轮前缘层板冷却流动换热特性及凹陷涡强化换热机理

发布时间：2020-07-15 04:05

【摘要】：高温燃气涡轮是航空发动机的核心机极其重要的部件之一,它的性能会对航空发动机的安全性和经济性产生重要影响。为了追求航空发动机高推重比和高效率,燃气涡轮入口温度逐渐攀升,使得燃气轮机的冷却技术满足更大输出功率的需求和更高的热效率面临挑战性。本文着眼于高推重比航空发动机高温涡轮叶片前缘区域的换热机理,依靠自编程序搭建涡轮叶片前缘区域的冷却结构。借助数值模拟的方法研究了典型涡轮叶片前缘区域内部流动换热机理。首先研究前缘曲率和冲击靶距对涡轮前缘层板结构换热的影响机理,结果显示,前缘曲率和冲击靶距的改变会显著地影响冲击靶面的换热性能。其次,通过研究扰流柱和凹坑参数对前缘层板结构换热的影响,得出了扰流柱排布改变综合换热性能的机制,并给出最佳的扰流柱结构形式。在高温涡轮叶片前缘区域的典型层板结构冷却单元添加凹坑结构,数值结果表明,合理地添加凹坑结构能够在一定程度上增大冲击靶面的换热,并且减小腔室内部的流阻系数。然而,过深或者过大的凹坑将会降低冲击靶面的换热。此外,凹坑形状的变化对冲击靶面的换热性能影响较小。再者,通过研究涡轮前缘曲率和冲击靶距对带有凹坑结构的前缘层板结构换热的影响机理。数值模拟结果表明,前缘曲率和冲击靶距的变化会显著影响来流冲击离开凹坑滞止点后由于流动边界层变薄而导致的热量交换。前缘区域的曲率和冲击靶距对冲击靶面换热增强效果并不是线性的关系。最后,本文采用圆孔射流冲击冷却的方法来对涡轮叶片前缘区域的局部换热进行仿真模拟,发现冷却空气入口雷诺数、气膜孔与冲击孔直径之比、涡轮叶片前缘曲率、冲击靶距、扰流柱参数和凹陷涡发生器参数对冲击靶面的换热均有不同程度的影响。通过对大量数值模拟得出的数据结果进行分析研究,整理出了涡轮叶片前缘各个无量纲参数基于Dittus-Boelter平均换热特性的通用经验公式。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：V235.1
【图文】：

冷却结构,入口温度,年份

图 1-2 入口温度及冷却结构随年份变化[5]构为主，其常用的冷却结构一般有：冲者如 E3 涡轮第二级导叶，后者如 E3 涡冲击冷却是通过一股或多股低温高压气并在冲击靶面处产生强烈的扰动，冲击方式适用于需重点冷却的局部区域，冲是强化局部传热最有效的方法之一。气式，即叶片内部通道中的冷却空气以一向主流引入二次气流（冷却工质或射流），下向下游弯曲，附着在壁面一定区域上，气隔离，并带走部分高温燃气，从而对冷却技术集冲击冷却、扰流柱对流冷却、解决 2 200 K 温度等级第五代航空发动

冷却结构,涡轮,前缘

b) E3 涡轮第一级动叶 c) E3 涡轮第二级导叶图 1-3 典型的涡轮前缘冷却结构机涡轮叶片高温问题的有效技术手段之一。然而，由于涡轮叶片前缘受燃气击，热负荷较高，对冷却结构的冷却效率要求更为苛刻，有必要采用高效的热强化措施来增强前缘层板冷却结构内部的换热能力。通过在壁面产生凹陷导的凹陷涡具有破坏边界层、产生不同尺度的旋涡的能力，同时具有在保证阻变化不大的情况下，提高换热性能的潜质。相对于传统的扰流结构，凹陷发生器的添加不会增大叶片重量，加工难度不大，因此采用凹陷涡发生器提涡轮叶片前缘层板冷却结构换热具有较重要的实用意义。本文拟采用数值模方法研究凹陷涡影响前缘层板冷却结构的流动换热特性，并通过涡动力学、扑分析及理论分析冷却结构内部的流动换热机理。这对于归纳提炼带凹陷涡生器前缘层板冷却结构流动机理和换热模型，解决航空发动机涡轮叶片高温蚀问题意义重大。1.3 冷却结构的作用机理及关键技术涡轮叶片冷却结构的设计目的是在较小的循环效率损失情况下取得较大

双层壁,冷却结构

哈尔滨工业大学工程硕士学位论文1.3.1 高效冷却结构的作用机理涡轮叶片的微型冷却结构作为新的高效冷却结构，拥有巨大的优势[6]。微型冷却结构在叶片内部形成若干个微小的通道，冷气在通道中流动，能够提高叶片温度的均匀性从而减小热应力。除此之外，若干微小通道紧靠叶片外壁面，进而提高了冷气的冷却能力。这种微型冷却结构能够用于叶片的整体设计，也能够用于局部区域如叶片前缘位置的换热强化。图 1-4 给出了 Auxier[7]及Bunker[8]等使用的双层壁冷却结构，在这种高效冷却结构中，双层壁的温度接近于冷气的输入温度，外壁面为叶片的表面温度，这种双层壁冷却结构能够显著地降低结构的金属温度。

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