涡轮导向器端区离散台阶缝气膜冷却机理研究
发布时间：2021-01-04 06:05
提高涡轮前温度是提高航空发动机整机热效率和推重比的重要途径,然而由此导致的涡轮寿命缩减问题十分突出,气膜冷却作为保护金属壁面的重要技术,在航空发动机、燃气轮机的技术发展历程中发挥着不可替代的作用。近年来,高压涡轮端区气膜冷却的研究受到众多学者的关注,其主要原因有两点:涡轮前温度不断提高导致端壁近壁燃气温度升高,端壁附近金属壁面的承温能力极具挑战;（超）低展弦比涡轮气动设计方法的推广使用,不仅使得端区的二次流效应增强,同时,伴随着叶片数量的减少,端区壁面面积占比日益增加。然而,与叶身冷却不同,受端区附近强二次流效应的影响,端区气膜冷却的冷气出流将具有复杂的三维流动特性。为高效利用冷气,优化端区冷却布局,提高端区气膜冷却有效性,本文采用高精度三维数值模拟和实验相结合的研究方法,研究了高压涡轮导向器端区气膜冷却的特性。本文主要的工作内容和相关结论如下:（1）挖掘新型冷却结构——离散缝,提出离散缝+气膜孔组合冷却构型。离散缝设计目的是优化上游端区缝出口冷气出流分布规律,集中冷气以冷却叶片前缘、叶片根部压力面等特定的区域。首先采用RANS数值模拟方法,聚焦该叶型端区的二次流特征,分析冷气射流和端...
【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院工程热物理研究所)北京市
【文章页数】：185 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
航空发动机总压比发展趋势[1]
图1.1航空发动机总压比发展趋势[1]目前,航空发动机涡轮前温度提高的方法主要有三种调控手段:(1)先进复杂高效的冷却方式,精细化组织冷却气流;(2)先进耐高温叶片材料的开发;(3)先进的热障涂层技术。冷却技术的发展要远快于材料耐温能力的提升,统计表明涡轮入口温度的提高,70%得益于冷却技术的发展。由冷却技术带来的涡轮前温度能够实现10K/年的增长,而由材料技术的进步只能实现3K/年的涡轮前温度增长。冷却技术作为航空发动机的关键技术之一,并随着推重比和热效率的提高变得越来越重要,但在公开发表的文献中很难找到实用的实验数据。研究表明,若金属温度预测偏差超过10℃,叶片的寿命就可能减半[2]。冷却与传热类实验的经验关联性强,需要积累大量的实验数据形成经验关联式和设计技术规范,但是实验研究存在研究成本高和实验周期长的缺点。
我国航空发动机起步并不算晚,但在发展过程中逐步落后,与欧美等西方国家的差距甚至有加大之势,图1.3给出了我国发动机的发展和美俄等航空发动机强国的差距[3]。目前,我们国家成熟的发动机型号WS10推重比在8左右,相当于美国的F100,比美国落后近30年。我们国家航空发动机与先进发达国家相比还处于落后水平,主要原因之一就是受涡轮等高温部件设计水平和研制能力的限制。因此,必须大量开展涡轮部件相关的实验研究和数值模拟工作,积累丰富的传热类实验数据库,为我国先进航空发动机的发展奠定坚实的基础。1.2 冷却技术的引入及发展
【参考文献】：
期刊论文
[1]压力面气膜冷却射流端壁效应研究[J]. 张扬,张振,袁新. 工程热物理学报. 2018(03)
[2]燃气轮机透平叶片传热和冷却研究:端壁冷却[J]. 杨星,刘钊,丰镇平. 热力透平. 2014(02)
[3]非轴对称端壁技术的应用及发展[J]. 曾军,唐洪飞. 航空科学技术. 2012(03)
[4]压力敏感涂料的标定及在气膜冷却效率测量中的应用[J]. 张超,王湛,周嗣京,刘建军. 航空动力学报. 2011(12)
[5]基于瞬态液晶测量技术的收缩-扩张形孔气膜冷却特性[J]. 刘存良,朱惠人,白江涛,许都纯. 航空学报. 2009(05)
[6]液晶瞬态技术测量带侧向流扰流柱通道端壁换热[J]. 朱惠人,郭涛,张丽,许都纯. 推进技术. 2007(06)
[7]液晶测温法对平板气膜冷却的实验研究[J]. 徐国强,田宁,陶智,丁水汀,罗翔,邓宏武. 航空动力学报. 2007(05)
[8]热色液晶瞬态测量全表面换热系数的技术研究[J]. 郭涛,朱惠人,许都纯,白江涛. 测控技术. 2006(09)
博士论文
[1]透平叶片气膜冷却及冷气掺混损失研究[D]. 林晓春.中国科学院大学(中国科学院工程热物理研究所) 2018
[2]气膜冷却各向异性湍流场中流动传热的相互作用机理研究[D]. 李雪英.清华大学 2013
[3]航空发动机气冷涡轮叶片的气热耦合数值模拟研究[D]. 董平.哈尔滨工业大学 2009
硕士论文
[1]航空发动机核心机技术及发动机发展型谱研究[D]. 周人治.电子科技大学 2007
[2]液晶测温技术及其在脉冲射流冲击换热中的应用研究[D]. 李发军.北京工业大学 2000
本文编号：2956289
【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院工程热物理研究所)北京市
【文章页数】：185 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
航空发动机总压比发展趋势[1]
图1.1航空发动机总压比发展趋势[1]目前,航空发动机涡轮前温度提高的方法主要有三种调控手段:(1)先进复杂高效的冷却方式,精细化组织冷却气流;(2)先进耐高温叶片材料的开发;(3)先进的热障涂层技术。冷却技术的发展要远快于材料耐温能力的提升,统计表明涡轮入口温度的提高,70%得益于冷却技术的发展。由冷却技术带来的涡轮前温度能够实现10K/年的增长,而由材料技术的进步只能实现3K/年的涡轮前温度增长。冷却技术作为航空发动机的关键技术之一,并随着推重比和热效率的提高变得越来越重要,但在公开发表的文献中很难找到实用的实验数据。研究表明,若金属温度预测偏差超过10℃,叶片的寿命就可能减半[2]。冷却与传热类实验的经验关联性强,需要积累大量的实验数据形成经验关联式和设计技术规范,但是实验研究存在研究成本高和实验周期长的缺点。
我国航空发动机起步并不算晚,但在发展过程中逐步落后,与欧美等西方国家的差距甚至有加大之势,图1.3给出了我国发动机的发展和美俄等航空发动机强国的差距[3]。目前,我们国家成熟的发动机型号WS10推重比在8左右,相当于美国的F100,比美国落后近30年。我们国家航空发动机与先进发达国家相比还处于落后水平,主要原因之一就是受涡轮等高温部件设计水平和研制能力的限制。因此,必须大量开展涡轮部件相关的实验研究和数值模拟工作,积累丰富的传热类实验数据库,为我国先进航空发动机的发展奠定坚实的基础。1.2 冷却技术的引入及发展
【参考文献】：
期刊论文
[1]压力面气膜冷却射流端壁效应研究[J]. 张扬,张振,袁新. 工程热物理学报. 2018(03)
[2]燃气轮机透平叶片传热和冷却研究:端壁冷却[J]. 杨星,刘钊,丰镇平. 热力透平. 2014(02)
[3]非轴对称端壁技术的应用及发展[J]. 曾军,唐洪飞. 航空科学技术. 2012(03)
[4]压力敏感涂料的标定及在气膜冷却效率测量中的应用[J]. 张超,王湛,周嗣京,刘建军. 航空动力学报. 2011(12)
[5]基于瞬态液晶测量技术的收缩-扩张形孔气膜冷却特性[J]. 刘存良,朱惠人,白江涛,许都纯. 航空学报. 2009(05)
[6]液晶瞬态技术测量带侧向流扰流柱通道端壁换热[J]. 朱惠人,郭涛,张丽,许都纯. 推进技术. 2007(06)
[7]液晶测温法对平板气膜冷却的实验研究[J]. 徐国强,田宁,陶智,丁水汀,罗翔,邓宏武. 航空动力学报. 2007(05)
[8]热色液晶瞬态测量全表面换热系数的技术研究[J]. 郭涛,朱惠人,许都纯,白江涛. 测控技术. 2006(09)
博士论文
[1]透平叶片气膜冷却及冷气掺混损失研究[D]. 林晓春.中国科学院大学(中国科学院工程热物理研究所) 2018
[2]气膜冷却各向异性湍流场中流动传热的相互作用机理研究[D]. 李雪英.清华大学 2013
[3]航空发动机气冷涡轮叶片的气热耦合数值模拟研究[D]. 董平.哈尔滨工业大学 2009
硕士论文
[1]航空发动机核心机技术及发动机发展型谱研究[D]. 周人治.电子科技大学 2007
[2]液晶测温技术及其在脉冲射流冲击换热中的应用研究[D]. 李发军.北京工业大学 2000
本文编号：2956289
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