導(dǎo)向器葉片沖擊冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及傳熱特性研究.pdf

1、提高渦輪入口溫度對改善航空發(fā)動(dòng)機(jī)推重比和熱效率有重要意義,但也給發(fā)動(dòng)機(jī)的正常運(yùn)行帶來一系列嚴(yán)重問題。目前入口燃?xì)鉁囟鹊奶岣咚俣冗h(yuǎn)遠(yuǎn)高于葉片材料耐高溫性能的發(fā)展速度,在繼續(xù)發(fā)展耐高溫材料的同時(shí),必須采取有效的冷卻技術(shù)和熱防護(hù)措施來保證渦輪葉片在高溫環(huán)境下安全可靠的工作。準(zhǔn)確預(yù)測渦輪葉片的溫度場是延長葉片工作壽命、提高冷卻效率的關(guān)鍵問題,隨著計(jì)算流體力學(xué)的不斷發(fā)展,氣熱耦合方法已經(jīng)成為航空發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要工具。本文借助氣熱耦合方法,

2、重點(diǎn)針對小尺寸高壓渦輪導(dǎo)向器葉片進(jìn)行沖擊冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),完成氣動(dòng)和傳熱的三維耦合分析,為實(shí)際渦輪導(dǎo)向器葉片冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。
　　葉輪機(jī)械中邊界層轉(zhuǎn)捩流動(dòng)普遍存在,其直接影響葉片壁面附近傳熱過程,本文首先研究了如何準(zhǔn)確預(yù)測邊界層轉(zhuǎn)捩流動(dòng)問題,選擇Transition k-kl-ω轉(zhuǎn)捩模型對平板邊界層有無壓力梯度的跨越轉(zhuǎn)捩實(shí)驗(yàn)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算,并對邊界層轉(zhuǎn)捩前后流動(dòng)狀態(tài)以及影響轉(zhuǎn)捩流動(dòng)的邊界條件進(jìn)行研究,計(jì)算結(jié)果表明:Transiti

3、on k-kl-ω轉(zhuǎn)捩模型對有無壓力梯度的平板跨越轉(zhuǎn)捩表現(xiàn)良好,壓力梯度對邊界層轉(zhuǎn)捩流動(dòng)有較大影響,順壓梯度有助于穩(wěn)定邊界層流動(dòng),延緩轉(zhuǎn)捩的發(fā)生,而逆壓梯度則容易使邊界層流動(dòng)失穩(wěn),促使轉(zhuǎn)捩提前發(fā)生。
　　本文進(jìn)一步對NASA-Mark II葉片傳熱實(shí)驗(yàn)進(jìn)行氣熱耦合數(shù)值計(jì)算,研究了各湍流模型的計(jì)算特點(diǎn)以及它們對轉(zhuǎn)捩流動(dòng)的識(shí)別能力,分析了葉片表面邊界層流動(dòng)狀態(tài)對渦輪葉片傳熱的影響,發(fā)現(xiàn)Transition k-kl-ω轉(zhuǎn)捩模型相比其它

4、全湍流模型,能夠更準(zhǔn)確預(yù)測附面層內(nèi)的分離轉(zhuǎn)捩狀況。由于轉(zhuǎn)捩前期采用層流動(dòng)能來描述擾動(dòng)的發(fā)展,避免了使用含來流湍流度的經(jīng)驗(yàn)公式所帶來的計(jì)算層流誤差,引入“分裂機(jī)制”來描述層流與湍流脈動(dòng)間的相互作用,并且在旁路轉(zhuǎn)捩和自然轉(zhuǎn)捩源項(xiàng)模塊中加入了Tollmien-Schlichting波的影響,對強(qiáng)激波后的溫度計(jì)算相比常用的間歇因子轉(zhuǎn)捩模型與實(shí)驗(yàn)值更吻合。最后采用變湍流普朗特?cái)?shù)方法對Transition k-kl-ω轉(zhuǎn)捩模型的熱渦流擴(kuò)散系數(shù)項(xiàng)進(jìn)行

5、修正,保證湍流普朗特?cái)?shù)從邊界層到主流區(qū)光滑過渡,使得對流換熱系數(shù)計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值更加接近。
　　選用上述轉(zhuǎn)捩模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算,得出平板單孔沖擊冷卻結(jié)果,并與三維單孔沖擊冷卻分析解以及實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式進(jìn)行對比,同時(shí)對模型網(wǎng)格無關(guān)性進(jìn)行計(jì)算,驗(yàn)證數(shù)值結(jié)果的準(zhǔn)確性,得到單孔沖擊冷卻的相應(yīng)規(guī)律,對于理解沖擊流動(dòng)的流場和沖擊冷卻的機(jī)理有很大幫助。再利用已確定的數(shù)值計(jì)算方法,分析陣列射流不同的幾何參數(shù)和物理參數(shù)對沖擊冷卻傳熱和流動(dòng)的影響,與實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式

6、進(jìn)行對比,得到平板陣列射流的傳熱規(guī)律,為接下來導(dǎo)向器葉片冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。
　　實(shí)驗(yàn)研究不能完全仿照航空發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際工作條件,利用數(shù)值計(jì)算的優(yōu)勢研究渦輪葉片的實(shí)際工作狀態(tài)具有非常重要的工程意義,接下來本文對導(dǎo)向器葉片進(jìn)行沖擊冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),首先計(jì)算得出未加冷卻時(shí)導(dǎo)向器葉片的溫度場分布,發(fā)現(xiàn)葉片最高溫度存在于前緣外表面中徑處,再根據(jù)具體溫度分布進(jìn)行導(dǎo)向器葉片氣冷結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),完成氣動(dòng)和傳熱的三維耦合分析,實(shí)現(xiàn)在保持冷卻氣體流量不變的條

7、件下提高冷卻效果,降低材料的性能要求。當(dāng)導(dǎo)流片孔數(shù)和孔徑滿足關(guān)系式(4n-1)D=葉高(mm)時(shí),在導(dǎo)向器葉片葉高方向上能滿足冷卻要求。以結(jié)構(gòu)簡單為原則,選擇導(dǎo)流片每列沖擊孔軸向距離為X/d=5~7時(shí),能夠滿足中弦區(qū)冷卻要求。前緣區(qū)域要想滿足要求,所設(shè)計(jì)的冷卻結(jié)構(gòu)前緣至少須布置兩列沖擊孔。沖擊間距較小時(shí),沖擊間距變化對葉片的內(nèi)、外表面平均溫度影響不大,但隨沖擊間距的減小,內(nèi)、外表面最高溫度會(huì)降低,而最低溫度則會(huì)升高。單純從冷卻效果看,采