动静干涉对叶顶间隙流动及外环气膜特性的影响

发布时间：2020-08-16 20:43

【摘要】：为了改善航空发动机工作稳定性,提高经济性指标,对涡轮部件的研究从未间断过。分隔叶片与机匣的涡轮外环热负荷仅次于叶片,准确认识涡轮外环与叶顶间隙流动和外环气膜冷却特性对提高涡轮性能具有重要意义。本文使用数值仿真方法,研究了涡轮外环块与涡轮叶片间隙内的流动特性和气膜冷却效率,得到了不同转速和不同进出口温比下流场分布、总压损失、对流换热系数及气膜冷却效率。重点研究了涡轮不同转速和不同吹风比下涡轮外环非定常气膜冷却效率变化规律。研究发现随着涡轮转速提高,对流换热系数分布经历了从整体均匀到前缘和尾缘高中间低,再到前缘高尾缘低的转变。涡轮转速变化同时也对转子叶栅通道近外环一侧的流动及叶高方向的对流换热系数分布产生影响。在0.5、1、1.5三个吹风比下,与静止状态比较,转子静子在十个不同相对位置的叶顶间隙流线、涡轮外环气膜冷却效率分布和流场方向变化显著,在吹风比为1.5时,一个叶片旋转周期内的平均气膜冷却效率最高。影响瞬时气膜冷却效率的主要原因是气膜孔相对于涡轮叶片的位置,次要原因是静叶动叶相对位置对气膜冷却效率的影响。
【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】：

发动机,气膜,外环,涡轮

图 1.1 F135-PW-600 发动机术的发展现状位于发动机涡轮机匣和涡轮叶片之间，其作用是减少泄漏流动温流场侵蚀[4]，由于其工作环境温度极高，为了平衡受热变形涡轮外环分解为数个小块。外环块之间留有窄缝，作为热变形设有气膜孔。图 1.2 为某型发动机中高压涡轮外环结构剖面图。级引入冷气腔，经整流后进入冲击孔板前腔，再经过冲击孔板后进入气膜孔，在气膜孔出口形成气膜，以保护整个外环结构涡轮外环的冷却设计，其内部一般采用冲击冷却方法，外部冲击冷却的混合模式[6-7]。

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图 1.2 高压涡轮外环供气管路剖面图在冲击冷却研究方面，许全宏，林宇震，刘高恩[8]对封闭空间内的单孔冲击模型进行了实验研究，总结出了冲击间距比（冲击距离比冲击孔直径）对努塞尔数的影响。毛军逵[9]等对冲击间距比小于 1 的单孔射流进行了试验研究，发现当冲击间距很小时，除滞止点外在靶面轴向和周向上均会出现对流换热系数极大值。沈瑾等[10]研究了凹面靶板的冲击冷却，发现其流动特性主要受冲击雷诺数和冲击角度影响。缪国君[11]也对此进行了实验研究，得出了类似的结论，并进一步给出了实验关联式。在复合冷却研究方面，文献[12-14]对复合冷却结构进行了实验研究，发现复合冷却结构与单纯采用气膜冷却相比对流换热系数提高了 3-4 倍。Huber 等[15]对复合冷却结构进行了数值研究，发现与单纯采用冲击冷却相比，冲击孔排间干涉现象有所减弱。K.Funazaki[16]研究了气膜冷却加层板扰流柱复合冷却结构，认为该种结构下对冷却效果影响最大的因素是气膜孔排列方式。徐国强等[17]提出了一种针对涡轮叶片弦长中间区域的新型冷却设计，该设计通过优化冲击孔与气膜孔排列方式，获得了很好的冷却效果；并通过数值仿真方法发现冲击靶板的努赛尔数分布曲线具有两个极大值，能显著提高冷却效果。毛军逵等[18-19]对气膜冷却加双层壁冲击冷却结构进行了实验研究，发现该结构

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沈阳航空航天大学硕士学位论文流从外环腔中 6 个进气孔流入外环块内的冲击腔，进入冲击腔后，气流受到腔体通道收缩影响流速增加，再通过冲击孔板上的 4 排冲击孔冲击到外环块内壁面，再由 3 排 27个气膜孔流入叶珊热流通道，流出的冷气在外环块外壁面形成气膜覆盖区域。外环块与外环块之间留有 1mm 宽的间隙，主要是为了给热膨胀提供预留的空间和通过气膜孔喷气对外环壁面进行冷却。

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