气膜冷却结构对高压涡轮导叶冷却及气动性能影响的研究
发布时间：2021-10-21 06:04
航空燃气轮机为航空飞机直接提供动力,其性能的优劣反映了航空工业发展的先进水平。作为燃气轮机的三大核心部件之一,涡轮的表现直接影响了整机的性能。随着人们对燃气轮机整机效率和推重比等性能指标的追求不断提高,涡轮部件的热负荷也不断增加,这就对叶片材料提出了严峻的挑战。为了保证涡轮叶片的安全性和可靠性,必须发展高效的涡轮冷却技术。本文对某型燃气轮机高压涡轮第一级导叶进行了冷却结构的设计,研究的导叶为直叶片,由真实导叶的中径处叶型拉伸而成,根据该导叶的工作环境,设计了不同形式的冷却结构并进行气热耦合计算,对计算结果进行流动和传热的分析。在设计中,充分考虑了导叶工作的高温环境和冷气流量的合理分配。为了达到更高的冷却效率和气动效率,导叶采用双层壁结构,冷却结构的设计中采用了气膜冷却、冲击冷却和绕流柱强化冷却的组合冷却方式。本文对导叶前缘气膜冷却结构进行了研究,计算结果表明当前缘区域顺列布置径向气膜孔且射流角度为45°指向叶顶时,冷却效果最好;当前缘气膜孔错列布置时,冷却效率明显下降。本文对导叶弦长中部气膜冷却结构进行了研究,计算结果表明压力侧布置有气膜缝套筒而吸力侧气膜缝无气膜缝套筒时冷却效果最好,...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：78 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
三种典型的燃气轮机[1-3]
和涡轮冷却技术进一步发展，美国生产的航空发动机涡轮的入口最高温度达到了2012K。由于燃气轮机和航空发动机行业的特殊性，目前各国一直在努力探索燃气轮机和航空发动机先进技术，英美等发达国家都提出了发展新一代航空发动机的计划，指出要发展更加高效的涡轮冷却结构。英国于 20 世纪末提出了“ACME”研究计划，提出要在 2020 年前后将发动机的推重比提升至 20，同时提升涡轮的燃气入口温度至 2400K 以上。与此同时，美国也制定了“IHPTET”计划[8]，要求在现阶段的基础上，使得涡轮的燃气入口温度再增加 500K，同时降低冷气的用量至原来的0.4 倍，涡轮重量减轻至原来的一半。研究发现，目前冷却效率最高的冷却结构是对流加气膜冷却，并且在部件表面涂上热障涂层，由于这种冷却结构较复杂且成本高，所以目前仅应用在燃气初温较高的涡轮导叶和动叶中。在燃气轮机领域，由于发展较晚且国际上相关技术封锁，我国一直处于落后的地位。影响燃气轮机和航空发动机性能的因素有很多，其中热端部件的设计和防护显得尤为重要，可以预见，未来燃气轮机和航空发动机的发展也离不开高效的冷却结构设计，本文就是在这种背景下进行研究的。
和涡轮冷却技术进一步发展，美国生产的航空发动机涡轮的入口最高温度达到了2012K。由于燃气轮机和航空发动机行业的特殊性，目前各国一直在努力探索燃气轮机和航空发动机先进技术，英美等发达国家都提出了发展新一代航空发动机的计划，指出要发展更加高效的涡轮冷却结构。英国于 20 世纪末提出了“ACME”研究计划，提出要在 2020 年前后将发动机的推重比提升至 20，同时提升涡轮的燃气入口温度至 2400K 以上。与此同时，美国也制定了“IHPTET”计划[8]，要求在现阶段的基础上，使得涡轮的燃气入口温度再增加 500K，同时降低冷气的用量至原来的0.4 倍，涡轮重量减轻至原来的一半。研究发现，目前冷却效率最高的冷却结构是对流加气膜冷却，并且在部件表面涂上热障涂层，由于这种冷却结构较复杂且成本高，所以目前仅应用在燃气初温较高的涡轮导叶和动叶中。在燃气轮机领域，由于发展较晚且国际上相关技术封锁，我国一直处于落后的地位。影响燃气轮机和航空发动机性能的因素有很多，其中热端部件的设计和防护显得尤为重要，可以预见，未来燃气轮机和航空发动机的发展也离不开高效的冷却结构设计，本文就是在这种背景下进行研究的。
【参考文献】：
期刊论文
[1]姊妹孔平板气膜冷却效率的数值模拟[J]. 张玲,郭瑞红,郭达飞,李浩. 动力工程学报. 2014(09)
[2]表面粗糙影响平板气膜冷却换热效果的数值研究[J]. 王建飞,吉雍彬,臧述升. 热能动力工程. 2014(03)
[3]燃机叶片平行肋扰流内冷通道传热特性研究Part2:耦合传热特性[J]. 迟重然,任静,蒋洪德. 工程热物理学报. 2014(01)
[4]冷却孔复合角和排列方式综合作用对平板气膜冷却效果的影响[J]. 陈伟,董若凌,施红辉,张晓东,沈伟杰. 浙江理工大学学报. 2013(04)
[5]涡轮冷却叶片气动与传热设计优化[J]. 虞跨海,岳珠峰,杨茜. 计算力学学报. 2010(02)
[6]航空发动机涡轮叶片的多学科设计优化[J]. 吴立强,尹泽勇,蔡显新. 航空动力学报. 2005(05)
硕士论文
[1]冲击冷却流动与换热特性的数值模拟研究[D]. 陈昌将.哈尔滨工程大学 2012
[2]某燃气涡轮高压级叶栅冷却结构设计及气热耦合数值模拟[D]. 许宏博.哈尔滨工业大学 2010
本文编号：3448394
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：78 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
三种典型的燃气轮机[1-3]
和涡轮冷却技术进一步发展，美国生产的航空发动机涡轮的入口最高温度达到了2012K。由于燃气轮机和航空发动机行业的特殊性，目前各国一直在努力探索燃气轮机和航空发动机先进技术，英美等发达国家都提出了发展新一代航空发动机的计划，指出要发展更加高效的涡轮冷却结构。英国于 20 世纪末提出了“ACME”研究计划，提出要在 2020 年前后将发动机的推重比提升至 20，同时提升涡轮的燃气入口温度至 2400K 以上。与此同时，美国也制定了“IHPTET”计划[8]，要求在现阶段的基础上，使得涡轮的燃气入口温度再增加 500K，同时降低冷气的用量至原来的0.4 倍，涡轮重量减轻至原来的一半。研究发现，目前冷却效率最高的冷却结构是对流加气膜冷却，并且在部件表面涂上热障涂层，由于这种冷却结构较复杂且成本高，所以目前仅应用在燃气初温较高的涡轮导叶和动叶中。在燃气轮机领域，由于发展较晚且国际上相关技术封锁，我国一直处于落后的地位。影响燃气轮机和航空发动机性能的因素有很多，其中热端部件的设计和防护显得尤为重要，可以预见，未来燃气轮机和航空发动机的发展也离不开高效的冷却结构设计，本文就是在这种背景下进行研究的。
和涡轮冷却技术进一步发展，美国生产的航空发动机涡轮的入口最高温度达到了2012K。由于燃气轮机和航空发动机行业的特殊性，目前各国一直在努力探索燃气轮机和航空发动机先进技术，英美等发达国家都提出了发展新一代航空发动机的计划，指出要发展更加高效的涡轮冷却结构。英国于 20 世纪末提出了“ACME”研究计划，提出要在 2020 年前后将发动机的推重比提升至 20，同时提升涡轮的燃气入口温度至 2400K 以上。与此同时，美国也制定了“IHPTET”计划[8]，要求在现阶段的基础上，使得涡轮的燃气入口温度再增加 500K，同时降低冷气的用量至原来的0.4 倍，涡轮重量减轻至原来的一半。研究发现，目前冷却效率最高的冷却结构是对流加气膜冷却，并且在部件表面涂上热障涂层，由于这种冷却结构较复杂且成本高，所以目前仅应用在燃气初温较高的涡轮导叶和动叶中。在燃气轮机领域，由于发展较晚且国际上相关技术封锁，我国一直处于落后的地位。影响燃气轮机和航空发动机性能的因素有很多，其中热端部件的设计和防护显得尤为重要，可以预见，未来燃气轮机和航空发动机的发展也离不开高效的冷却结构设计，本文就是在这种背景下进行研究的。
【参考文献】：
期刊论文
[1]姊妹孔平板气膜冷却效率的数值模拟[J]. 张玲,郭瑞红,郭达飞,李浩. 动力工程学报. 2014(09)
[2]表面粗糙影响平板气膜冷却换热效果的数值研究[J]. 王建飞,吉雍彬,臧述升. 热能动力工程. 2014(03)
[3]燃机叶片平行肋扰流内冷通道传热特性研究Part2:耦合传热特性[J]. 迟重然,任静,蒋洪德. 工程热物理学报. 2014(01)
[4]冷却孔复合角和排列方式综合作用对平板气膜冷却效果的影响[J]. 陈伟,董若凌,施红辉,张晓东,沈伟杰. 浙江理工大学学报. 2013(04)
[5]涡轮冷却叶片气动与传热设计优化[J]. 虞跨海,岳珠峰,杨茜. 计算力学学报. 2010(02)
[6]航空发动机涡轮叶片的多学科设计优化[J]. 吴立强,尹泽勇,蔡显新. 航空动力学报. 2005(05)
硕士论文
[1]冲击冷却流动与换热特性的数值模拟研究[D]. 陈昌将.哈尔滨工程大学 2012
[2]某燃气涡轮高压级叶栅冷却结构设计及气热耦合数值模拟[D]. 许宏博.哈尔滨工业大学 2010
本文编号：3448394
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