壁面波纹结构和主流压力梯度对发散冷却的影响

发布时间：2020-07-17 22:58

【摘要】：气膜冷却是现代航空发动机技术中比较重要的方面,气膜冷却因其固有的高效冷却特性成为航空发动机热端部件的主要冷却措施之一,其中发散冷却是目前引起广泛关注的一种冷却方式,其主要特征是被冷却壁面上的气膜孔更加密集,可以在燃气侧壁面附近形成相对完全覆盖的气膜层。本文针对发散冷却的特点,围绕提高气膜冷却效率的目标,对发散冷却结构进行改进,以期获得冷却效果更好的冷却结构。主要研究内容包括:针对平底形横向波纹壁面发散冷却结构,研究波纹结构形式和气膜孔结构参数对发散冷却流动和换热特性的影响规律;针对主流顺/逆压力梯度下的发散冷却结构,研究主流通道收缩比对发散冷却流动和换热特性的影响规律;针对发散冷却结构上游气膜冷却效率较低的特点,前端加狭缝冷却结构,研究狭缝射流对发散冷却流动和换热特性的影响规律。首先,针对平底形横向波纹壁面发散冷却结构,研究了吹风比、波纹高度、波纹长度、气膜孔孔径、气膜孔排布方式和开孔率等参数对发散冷却结构流动和换热特性的影响规律。研究结果表明:与平板发散冷却结构相比,波纹壁面发散冷却结构气膜冷却效率在展向上呈现出波峰区域较低、波谷区域较高的趋势,同时在任意吹风比下,其展向平均气膜冷却效率沿流动方向均呈现逐渐增加之后趋于平稳的趋势,并且气膜冷却效率随着吹风比的增加而升高。随着波纹高度的增加,波峰和波谷交界区域气膜冷却效率有所升高,而波峰和波谷区域气膜冷却效率却有所降低,展向分布均匀性变差;波纹长度的变化对展向平均气膜冷却效率影响很小,随着波纹长度的增加,气膜冷却效率展向分布均匀性变好。在相同的单位冷却面积冷气用量条件下,减小气膜孔孔径、减小气膜孔间距比以及增大开孔率均能提高气膜冷却效率,相对于气膜孔孔径和开孔率的变化对气膜冷却效率的影响,气膜孔间距比减小带来的气膜冷却效率的提高幅度要小于减小气膜孔孔径和增大开孔率对其带来的影响。此外,增大气膜孔孔径、增大气膜孔间距比以及减小开孔率均能使流量系数增大,相比于开孔率对流量系数的影响能力,气膜孔孔径以及间距比对流量系数的影响可以忽略不计。其次,针对主流顺/逆压力梯度下的发散冷却结构,研究了吹风比和主流通道收缩比等参数对发散冷却结构流动和换热特性的影响规律。研究结果表明:主流顺压力梯度时,气膜射流对主流的穿透会得到一定程度的抑制,气膜射流在加速主流的压迫下更加贴近壁面,气膜层厚度变薄,并且吹风比较小时,气膜射流速度较低,前几排气膜射流由于主流的抑制作用,甚至会形成逆流,吹风比较大时,气膜射流的速度增加,主流对气膜射流的抑制得到一定改善,壁面气膜层覆盖程度较好。而主流逆压力梯度则加剧了气膜射流对主流的穿透,在气膜射流沿流动方向逐渐叠加的作用下,气膜层的厚度得到改善,同时对壁面的保护也得到改善。因而,吹风比较小时,主流顺压力梯度下的展向平均气膜冷却效率和零压力梯度时相比有所降低,并且主流顺压力梯度越大展向平均气膜冷却效率降低的幅度也越大,相反的,主流逆压力梯度则使得展向平均气膜冷却效率有所升高,当吹风比较大时,主流流向压力梯度的变化对展向平均气膜冷却效率的影响相对较弱,主流顺压力梯度的减小和主流逆压力梯度的增大均能提高展向平均气膜冷却效率,但是提升的幅度较小。同时吹风比较小时,主流顺压力梯度使得热侧对流换热系数增大,而主流逆压力梯度则导致热侧对流换热系数减小,吹风比较大时,在气膜板上游区域,主流顺压力梯度和主流逆压力梯度均使得热侧对流换热系数减小,而在气膜板下游区域,主流顺压力梯度和主流逆压力梯度使得热侧对流换热系数增大。最后,针对平板发散冷却结构,前端加狭缝冷却结构,研究了吹风比和狭缝结构等参数对组合冷却结构流动和换热特性的影响规律。研究结果表明:对于狭缝-发散冷却结构,气膜冷却效率在起始处较大,冷气流量较小时气膜冷却效率沿流动方向逐渐降低,而冷气流量较大时,气膜冷却效率先是略微减小,之后沿流动方向逐渐升高。对比发散冷却结构和狭缝-发散冷却结构,狭缝射流的存在对气膜冷却效率有很大的影响,特别是在气膜孔板的上游区域,气膜冷却效率升高的特别明显。在发散孔吹风比相同时,由于狭缝射流的存在,总的冷气流量增大,使得狭缝-发散冷却结构整体气膜冷却效率均大于发散冷却结构;而冷气流量相同时,由于狭缝射流的分流使得发散孔吹风比降低,在冷气流量较小时,尽管狭缝-发散冷却结构上游区域的气膜冷却效率显著高于发散冷却结构,然而在下游区域气膜冷却效率却有一定程度的减小;冷气流量较大时,虽然狭缝-发散冷却结构发散孔吹风比较小,但是此时气膜射流已经形成完全覆盖,因而狭缝-发散冷却结构气膜冷却效率整体均高于发散冷却结构。狭缝射流的存在仅对上游区域热侧对流换热系数有明显的影响,在相同的发散孔吹风比时,由于狭缝射流的存在,使得狭缝-发散冷却结构的对流换热系数降低,虽然狭缝射流存在时,总的冷气流量增加,但是下游远离狭缝射流影响的区域,对流换热系数基本无变化。
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：V233.5
【图文】：

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在航空、船舶、电力、能源等国防和国民经济的重要领域有着广展，燃气轮机性能不断提高，燃气轮机技术的应用和发展已经成为等综合实力的一个重要标志，受到了世界各国的普遍关注。学的基本原理，提高燃气轮机热力循环的最高温度是改善燃气轮航空发动机为例，图 1.1 反应了最近几十年来航空发动机涡轮进 60 年代以来，涡轮进口温度每年以大约 22K 的速度提升[2]，目度已经超过 2000K，根据先进航空发动机的发展趋势，仍需进一未来航空发动机技术的发展趋势，欧美等航空发达国家持续出台划，譬如，美国国防部启动的“综合高性能涡轮发动机技术”（IH的研究目标是：推重比增加 100%~120%，涡轮进口温度提高 500%[3]。在此基础上美国又启动了 “通用经济可承受的先进涡轮发ET 计划的延续[4]。英国也开展了“先进核心军用发动机计划”（A20 年验证推重比为 20 的航空发动机，届时涡轮进口温度将达到计划实施旨在加速提升航空发动机和燃气轮机技术的重大专项研动机核心技术。

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航空发动机要能够在如此严酷的环境下安温材料和热障涂层；另一方面则需要发展高效的前工程可用的航空发动机高温部件材料的工作温使得工作温度提高 150~200℃，虽然新型耐高温仍然无法满足航空发动机涡轮进口温度的提升需部件热负荷的基础，耐高温材料和热障涂层的研对涡轮叶片的冷却而言，目前已经形成了由涡轮叶片冷却结构如图 1.2 所示，内部射流冲击合冷却方式逐渐进入工程应用，大幅度提高了冷却由于其高效冷却特性成为航空发动机热端部件多股冷气流，通过壁面上开设的喷口以一定角度护形式，如图 1.3 所示，其喷口可以是缝隙或者气和壁面的作用，同时也能冷却燃气侧高温壁面却效果的提升占据主导作用。

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图 1.5 速度比对壁面温度的影响人[42]指出影响对流换热系数最大的因素是吹风比。Ligrani 等人[膜孔密集排布和稀疏排布时的发散冷却实验研究，对比分析了气和对流换热系数的影响规律，研究结果表明气膜孔密集排布的冷换热系数均高于气膜孔稀疏排布结构。Nguyen 等人[44]通过实验的冷却气膜层的形成和发展的影响规律，图 1.6 为气膜冷却效率和况，研究结果表明，在第四排孔后，气膜层逐渐趋于均匀稳定，流的继续叠加，上游气膜射流形成的气膜层会很快消散。

【参考文献】