气膜冷却冷气孔参数对涡轮性能的影响研究

发布时间：2017-07-06 01:14

  本文关键词：气膜冷却冷气孔参数对涡轮性能的影响研究

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【摘要】：燃气轮机作为核心机的叶轮机械应用广泛于航空发动机、重型燃机、船用燃机等方面，对于国民经济建设和国家领土领空保护具有重要的意义。在现今涡轮的高推力和热效率的共同需求下，根据燃机热循环可知，涡轮前燃气温度需要大幅度提高，涡轮部件也因此面临高温高压的问题。气膜冷却作为先进冷却技术的代表，在涡轮的设计中得到了广泛的应用，以保证涡轮的高温部件的使用寿命和可靠性。当今高性能涡轮发动机的进口温度已经达到2200K以上，气膜冷却使用的冷气量也达到了主流的20%以上，对流道中三维流场的气动和传热性能产生很大影响。本文的主要工作是对航空发动机的高压涡轮的动静叶气膜冷却孔参数进行研究，分析不同的参数对涡轮气动性能和传热特性的影响程度。 本文主要研究涡轮叶片的气膜冷却对气动传热性能的影响，主要分为两部分：涡轮叶片的静叶气膜冷却数值研究和涡轮叶片的动叶气膜冷却数值研究。分别从冷气孔空间位置、冷气主流动量比、冷气孔入射角度、冷气孔径向角度等几个方面对主流的影响进行研究，分析了涡量在流道不同情况下的分布和演变，以及卵形涡与通道涡的相互作用，最后总结了各因素对涡轮的性能影响强弱。 文章的研究应用参数化建模方式，一是减少了网格生成的工作量，二是保持了网格的疏密一致性。首先对数值模拟的湍流模型进行了分析对比，采用转捩的SST湍流模型数值模拟与实验匹配较好，故后文采用该湍流模型进行模拟。并对网格的无关性进行了探讨，以保证计算结果的精确性和可靠性。 通过对静叶的数值模拟计算结果分析，表明冷却孔的空间位置对叶片表面的最高温度有很大影响。当驻点在压力面时，冷气孔布置在偏压力侧1.5D的位置，不但最高温度降幅大，而且叶片整体冷却效果同样最高，然而导致的叶栅的气动效率相比最低，表明前缘冷却位置在增加冷却效果的同时不可避免的降低气动效率，即前缘位置冷却效果和气动性能不可兼得。冷气主流动量比的改变使得叶片表面温度场变化很大，前缘冷气量增大，叶栅气动效率降低，局部冷却效果变差，但是总体冷却效果提升。叶栅的流量的增量仅为冷气增量的1/4，表明大冷气量在吸力面后部堆积，阻塞喉部面积，使流量减小。入射角度的减小，前缘局部区域温度降低，在驻点偏压力侧1.5倍孔径的位置入射角度为45°的冷却效果最佳。在前缘局部区域，冷气孔向上喷射的叶片表面平均温度最低，冷气在叶顶的冷却效果相比叶根更加明显。 最后对动叶的数值模拟进行对比分析，讨论各影响因素对涡轮性能的影响。结果表明，动叶前缘冷气孔对空间位置更加敏感，由于动叶的扭曲比较明显，冷气孔的空间位置变化使前缘局部温度呈周期性的波动，因此上下冷气孔的空间位置应分段分布，以保证冷气孔达到良好的冷却效率。随着前缘冷气主流动量比的增加，叶栅气动效率随之提高，出口流量的增加量大于冷气的增加量，表明动量比对主流的影响很明显。但是同样，增大动量比对叶片表面最高温度并没有影响，前缘的局部温度也随着动量比的增加而增大，说明动量比过大冷气无法有效的覆盖在叶片的表面。在吸力面后部区域，冷气孔径向角度对气动效率和冷却效果影响很小，，在叶顶部分的径向角度越大，冷气孔后的冷却效果越差；在叶根部分的冷气孔径向角度越小，冷气孔后的冷却效果越好。吸力面通道涡后部增设冷气孔气动效率仅在叶顶处有小幅降低，通道涡与冷气孔的相互作用成为了气动效率降低的主要原因，但是叶根部分温度的降低值大于叶顶部分。
【关键词】：气膜冷却 冷气孔 涡轮 性能
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：V232.4
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第1章 绪论11-20
• 1.1 课题来源11
• 1.2 研究背景与意义11-13
• 1.3 气冷涡轮冷却技术概述13-14
• 1.4 气膜冷却技术发展概述14-18
• 1.4.1 气膜冷却研究进展14-15
• 1.4.2 气膜冷却对涡轮传热性能的影响15-17
• 1.4.3 气膜冷却对涡轮气动性能的影响17-18
• 1.5 本文的主要研究内容18-20
• 第2章 数值计算方法20-27
• 2.1 引言20
• 2.2 湍流模型计算分析验证20-22
• 2.3 网格无关性验证22-23
• 2.4 三维数值模拟23-26
• 2.4.1 数值软件简介23
• 2.4.2 计算模型介绍23-25
• 2.4.3 边界条件处理25-26
• 2.5 本章小结26-27
• 第3章 高压涡轮静叶冷却对性能的影响分析27-56
• 3.1 引言27
• 3.2 数值模拟方案27-30
• 3.3 静叶前缘单列冷气空间位置对涡轮性能的影响30-36
• 3.4 静叶前缘单列冷气不同动量比对涡轮性能的影响36-44
• 3.5 静叶前缘单列冷气入射角度对涡轮性能的影响44-49
• 3.6 静叶前缘单列冷气径向角度对涡轮性能的影响49-54
• 3.7 本章小结54-56
• 第4章 高压涡轮动叶冷却对性能的影响分析56-81
• 4.1 引言56
• 4.2 数值模拟方案56-59
• 4.3 动叶前缘单列冷气不同空间位置对涡轮性能的影响59-65
• 4.4 动叶前缘单列冷气不同动量比对涡轮性能的影响65-71
• 4.5 动叶吸力面后部冷气径向角度对涡轮性能的影响71-75
• 4.6 动叶吸力面后部冷气相互作用对涡轮性能的影响75-79
• 4.7 本章小结79-81
• 结论81-83
• 参考文献83-88
• 攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果88-90
• 致谢90-91
• 个人简历91

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前2条

1 康顺;;冷却孔附近三维流动的结构[J];工程热物理学报;2006年05期

2 蒋雪辉,赵晓路;非定常尾迹对叶片头部气膜冷却的影响[J];航空动力学报;2005年04期

本文编号：524268