涡轮机匣流动换热特性研究

发布时间：2020-11-06 11:32

　　 涡轮机匣作为航空发动机的主要承力部件,其不同工作状态下的变形量对发动机安全高效的运行具有显著影响,而变形量与温度分布密切相关。本文以某型航空发动机涡轮机匣作为研究对象,分别以数值模拟和试验的方法对其流动换热特性进行研究,并以数值模拟结果为基础,对机匣进行瞬态换热计算,获得机匣温度随时间的变化规律。本文首先对涡轮机匣进行稳态数值计算,分析不同工况下机匣内部流动换热特性,研究发现,腔内气流具有复杂的旋涡结构,随着气流的流动,机匣内各腔室存在不同程度的泄漏,使得在流动过程中,冷气逐渐减小。换热方面,由于机匣内部射流冲击结构的存在,使冲击靶面滞止区换热最好,随着气流的贴壁流动,换热逐渐减弱。机匣模型温度最高区域出现于与高温燃气直接接触的陶瓷涂层壁面上,随着与陶瓷涂层间距离的增加,温度逐渐下降。在稳态计算基础上,本文对部分机匣腔室进行了试验研究,使用热膜法研究其冲击靶面的换热特性,试验结果表明,当试验工况发生改变时,各腔室冲击靶面换热特性分布规律基本不变,且随着冲击雷诺数的增加,靶面换热效果更加显著。本文最后对机匣分别进行二维和三维瞬态计算,分析机匣温度随时间的变化规律,计算发现,机匣温度变化规律与载荷变化规律基本一致,当载荷短时间内保持不变时,机匣温度随时间逐渐变化至稳定状态,温度变化速率逐渐降低。与载荷增加阶段相比,载荷减小阶段模型响应时间更大,机匣更难冷却。两种计算方法所得温度变化规律基本一样,当机匣达到热平衡状态时,三维计算结果比二维计算结果略高,误差在可接受范围内。
【学位单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：V231.1
【文章目录】：
摘要
abstract
第一章 绪论
    1.1 研究背景
    1.2 国内外研究现状
        1.2.1 射流冲击冷却
        1.2.2 机匣内部射流冲击冷却
        1.2.3 瞬态计算
    1.3 本文主要研究内容
第二章 机匣流动换热特性的稳态数值计算
    2.1 模型介绍
        2.1.1 物理模型
        2.1.2 机匣流路介绍
    2.2 计算模型
    2.3 湍流模型及其验证
        2.3.1 控制方程
        2.3.2 湍流模型
        2.3.3 模型验证
    2.4 计算网格与独立性验证
    2.5 求解器及边界条件设定
    2.6 参数定义
        2.6.1 进口冲击雷诺数
        2.6.2 表面局部对流换热系数
        2.6.3 表面局部努塞尔数
        2.6.4 平均努塞尔数
        2.6.5 平均对流换热系数
第三章 机匣稳态数值计算结果分析
    3.1 流动特性分析
        3.1.1 轴向流场
        3.1.2 周向流场
        3.1.3 不同工况对流动的影响
    3.2 换热特性分析
        3.2.1 流路1 换热特性
        3.2.2 流路2 换热特性
        3.2.3 不同工况对换热的影响
    3.3 小结
第四章 机匣表面换热特性试验研究
    4.1 试验系统
        4.1.1 气源
        4.1.2 加热系统
        4.1.3 测量系统
    4.2 试验件与试验段
        4.2.1 试验件
        4.2.2 试验段
    4.3 靶板热电偶测点分布
    4.4 试验参数定义
    4.5 试验工况
    4.6 试验结果分析
        4.6.1 腔 1
        4.6.2 腔 2
        4.6.3 腔 3
    4.7 误差分析
    4.8 小结
第五章 涡轮机匣的瞬态换热分析
    5.1 载荷谱
    5.2 瞬态参数定义
    5.3 机匣二维瞬态计算
        5.3.1 二维瞬态计算模型
        5.3.2 二维瞬态计算结果分析
    5.4 机匣三维瞬态计算
        5.4.1 三维瞬态计算模型
        5.4.2 网格划分与湍流模型
        5.4.3 三维瞬态计算结果分析
    5.5 瞬态计算方法对比
    5.6 小结
第六章 总结与展望
    6.1 总结
    6.2 展望
参考文献
致谢
攻读硕士学位期间发表的论文

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本文编号：2873086