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涡轮叶片冷却结构传热性能的数值研究

作　者: 王利平
导　师: 张靖周
学　校: 南京航空航天大学
专　业: 航空宇航推进理论与工程
关键词: 涡轮叶片冷却结构热障涂层温度分布共轭传热
分类号: V235.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

在航空燃气涡轮发动机的发展过程中，为提高发动机的热力循环效率和推重比，涡轮进口燃气温度不断被提高。为满足涡轮进口温度不断提升的需求，除了不断发展涡轮叶片新材料和新工艺以外，决定性的因素之一是发展先进的高效强化冷却技术。当多种冷却方式被集成到一个叶片中时，整个叶片内部冷却通道中的冷气流动和换热特性将变得复杂，因此针对气冷涡轮叶片的传热特性进行相关的研究是十分重要的。本文针对一个特定的涡轮导向叶片，设计了三种不同的冷却结构，并利用Fluent软件对三种冷却结构的流动和换热特性进行了数值研究，该冷却结构中包括气膜冷却、冲击冷却、肋壁强化换热、扰流柱强化换热以及对应的不同弯折通道，通过对比分析可知，合理地组织气流流动，对增强叶片的换热效果，减少冷气用量，提高燃气进气温度能起到积极作用。其次，对敷设热障涂层的气冷叶片温度分布进行了三维流-固-热共轭计算，分析了热障涂层厚度对叶片金属基体表面温降水平的影响，同时对比了有/无考虑燃气与叶片表面辐射换热时的叶片表面温度分布差异。结果表明：随着热障涂层厚度的增加，叶片表面温度明显下降，均匀性也随之提高；在无热障涂层保护时，叶片表面温度受辐射换热的影响最大，温度升高最明显，而在敷设热障涂层后，温度虽有升高，但相比之下较小；考虑辐射换热后，热障涂层的保护作用大大提高，在热障涂层厚度为0.25mm时，与未考虑辐射换热相比，温降最大提高了97K，所以在实际的高温高压涡轮叶栅耦合换热中，辐射换热是不容忽视的。最后，对涡轮叶片吸力面上两种气膜孔孔型（圆形气膜孔和收敛缝形气膜孔）的流场及换热进行了实验研究，并进行了数值模拟。结果表明：对于常规圆形气膜孔，气膜出流从中心向上抬升会形成反向旋转“卵形”涡对，收敛缝形气膜孔也在气膜孔出口下游形成了反向涡对，但旋向却与圆形孔“卵形”涡对相反；相对于圆形气膜孔，收敛缝形气膜孔具有显著提高冷却效率的能力；随着吹风比的增大，气膜出流动量增大，流场受主流二次流动的影响逐渐减小。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-14
第一章绪论  14-26
  1.1 研究背景  14-16
  1.2 内部冷却结构研究概述  16-20
    1.2.1 射流冲击冷却  17-18
    1.2.2 扰流柱通道  18-19
    1.2.3 肋壁通道  19-20
  1.3 外部冷却结构研究概述  20-23
    1.3.1 气膜冷却  20-23
    1.3.2 热障涂层技术  23
  1.4 本文研究内容  23-26
第二章数值计算方法  26-34
  2.1 流体流动及换热的基本控制方程  26-27
  2.2 湍流模型  27-31
    2.2.1 标准 k-ε模型  27-28
    2.2.2 RNG k-ε模型  28-29
    2.2.3 Realizable k-ε模型  29-30
    2.2.4 SST k-ω模型  30-31
  2.3 湍流模型可靠性验证  31-32
  2.4 辐射模型  32-34
第三章不同冷却结构下叶片的传热性能研究  34-54
  3.1 数值计算方法  34-39
    3.1.1 计算模型  34-36
    3.1.2 网格  36-38
    3.1.3 数值计算方法  38
    3.1.4 边界条件  38-39
  3.2 计算结果及分析  39-52
    3.2.1 流场特性  39-48
    3.2.2 冷却特性  48-52
  3.3 本章小结  52-54
第四章敷设热障涂层对叶片温度分布的影响分析  54-80
  4.1 数值计算方法  54-55
    4.1.1 计算模型  54
    4.1.2 网格划分  54-55
    4.1.3 数值计算方法  55
    4.1.4 边界条件  55
  4.2 计算结果与分析  55-78
    4.2.1 流场分析  56-60
    4.2.2 冷却特性分析  60-78
  4.3 本章小结  78-80
第五章叶片吸力面气膜孔流动换热特性研究  80-98
  5.1 试验件与试验系统  80-82
    5.1.1 试验件  80-81
    5.1.2 流场测量系统  81
    5.1.3 气膜冷却测量系统  81-82
  5.2 试验段  82-83
  5.3 结果与分析  83-95
    5.3.1 流场测量结果  83-91
    5.3.2 气膜冷却测量结果  91-95
  5.4 本章小结  95-98
第六章总结与展望  98-102
  6.1 本文的研究结论  98-99
    6.1.1 不同冷却结构下叶片的传热性能研究  98
    6.1.2 敷设热障涂层对叶片表面传热的影响分析  98-99
    6.1.3 叶片吸力面气膜孔流动换热特性研究  99
  6.2 未来工作展望  99-102
参考文献  102-107
致谢  107-108
在学期间发表的学术论文  108

涡轮叶片冷却结构传热性能的数值研究

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