浅槽孔气膜冷却规律及优化研究

发布时间：2020-07-17 19:56

【摘要】：气膜冷却性能的提高对航空燃气涡轮热端部件综合冷却效果的提升具有主导作用。浅槽型气膜孔可以利用热障涂层的涂覆过程制备而成,相对于其他异型孔更易于实现工程应用;浅槽结构中还可以集成扇型或复合角喷吹等形状相对简单的气膜孔型,具有进一步提升冷却能力的潜力。基于此,本文针对平板横向槽、锯齿槽及椭圆槽孔气膜冷却特性展开规律性和优化研究,具体研究内容如下:搭建了平板浅槽孔气膜冷却实验台,利用红外热成像技术展开典型工况下的浅槽孔气膜冷却效率测试实验。实验结果表明,圆形孔只在低吹风比下有较高的冷却效率,随着吹风比的增加,冷却性能不断降低;浅槽孔相较于圆形孔,冷却效果均有不同程度的提升,且吹风比越高,提升效果越明显;三种浅槽结构中,锯齿槽由于槽弯角的导流作用,气膜覆盖性能最好,横向槽次之,椭圆槽气膜冷却效率明显低于锯齿槽和横向槽。在此基础上,以实验模型为基准,建立了浅槽孔气膜冷却数值计算模型,并对不同湍流模型进行了对比验证,发现Relizable k-ε模型配合增强型壁面函数计算精度最高;同时为了更好的与实验结果进行比对,研究了气膜孔板导热效应对整体冷却效果的影响,发现当导热系数小于0.4W/(m·K)时,导热效应对冷却效率的影响可以忽略。针对平板浅槽孔气膜冷却进行了变工况数值计算研究,分析了热力参数和浅槽结构参数对浅槽孔气膜冷却效率和流量系数的具体影响规律。对于横向槽,随着吹风比的增加,冷却效率呈现先增加后降低的变化趋势,0.75d(d为气膜孔径)的槽深所对应的最佳吹风比为1;随着槽深度的增加和槽宽度的减少,气膜冷却效率不断提高。对于锯齿槽,0.75d槽深时所对应的最佳吹风比为1.5,槽深度的增加和槽弯角的减少都能提升气膜冷却效果,在本研究中,槽宽度对气膜冷却效率影响不明显。对于椭圆槽,存在一最佳面积比(椭圆槽出口面积/圆孔面积),偏离该面积比越大,冷却效率越低。对于三种浅槽孔,流量系数均随吹风比的增加而呈现先增加后稳定的变化趋势。与圆形孔相比,浅槽孔流量系数均有不同程度的提高。发展了一种耦合支持向量机和遗传算法的浅槽结构优化方法,以支持向量机作为代理模型,引入遗传算法进行全局寻优。针对0.8和1.6吹风比下的平板锯齿槽进行了优化,以槽深、槽宽和槽弯角作为设计变量,选取面平均绝热冷却效率为目标函数。通过优化,低吹风比工况下面平均冷却效率相较于初始结构提升了8.75%,高吹风比工况下的冷却效率提升了70.5%;优化后气膜孔下游肾型涡对被削弱,反肾型涡对被加强。优化结果表明了支持向量机代理模型和遗传算法在气膜冷却结构优化的有效性。
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：V235.1
【图文】：

冷却能力

涡轮进口温度变化趋势

气膜冷却示意图

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本文编号：2759871