渦輪葉柵端壁氣膜冷卻及葉片頂部泄漏流研究.pdf

1、航空發(fā)動(dòng)機(jī)是飛機(jī)的“心臟”。長(zhǎng)期以來(lái)，航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)一直是發(fā)達(dá)國(guó)家優(yōu)先發(fā)展并且嚴(yán)密封鎖的關(guān)鍵技術(shù)，也是一個(gè)國(guó)家軍事實(shí)力乃至綜合國(guó)力的標(biāo)志之一。我國(guó)正面臨著嚴(yán)峻的領(lǐng)土、領(lǐng)海糾紛，要實(shí)現(xiàn)“中國(guó)夢(mèng)”、“強(qiáng)軍夢(mèng)”，就必須有強(qiáng)大的空軍。我國(guó)高度重視新一代高性能戰(zhàn)斗機(jī)的研發(fā)。
　　為了提高戰(zhàn)斗機(jī)的性能，戰(zhàn)斗機(jī)不斷地向大推力、高速度、高機(jī)動(dòng)性能的方向發(fā)展，因此燃?xì)馔钙降倪M(jìn)口溫度需要不斷上升。目前，先進(jìn)透平燃?xì)膺M(jìn)口溫度已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)現(xiàn)有透平材料的熔

2、點(diǎn)。為了保證透平高溫部件的安全運(yùn)行及合理壽命，除了使用更耐高溫的材料外，更為重要的是發(fā)展更加先進(jìn)的冷卻技術(shù)。本文針對(duì)透平葉柵端壁氣膜冷卻以及旋轉(zhuǎn)葉片頂部泄漏流特性進(jìn)行了研究，內(nèi)容主要分為以下三個(gè)部分。
　　第一部分:單個(gè)氣膜孔的冷卻特性研究。通過(guò)數(shù)值模擬方法，研究了三種新型氣膜孔結(jié)構(gòu)的冷卻效果。不同于傳統(tǒng)的純圓柱型氣膜孔，研究的氣膜孔結(jié)構(gòu)分別是:1）擴(kuò)張的扇形圓角氣膜孔;2）擴(kuò)張的扇形后傾圓角氣膜孔;3）新提出的擴(kuò)張扇形后傾尖角氣

3、膜孔。通過(guò)比較三種氣膜孔的絕熱端壁表面溫度、冷卻效率以及速度場(chǎng)分布，可以發(fā)現(xiàn)新提出的扇形后傾尖角氣膜孔最優(yōu);通過(guò)比較不同吹風(fēng)比下的冷卻效果，發(fā)現(xiàn)吹風(fēng)比為1.5時(shí)具有最佳的冷卻效果;通過(guò)比較耐高溫合金、陶瓷和泡沫玻璃這三種材料的端壁在有無(wú)氣膜冷卻時(shí)的端壁表面溫度以及冷卻效率分布，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)熱對(duì)真實(shí)氣膜冷卻特性的影響非常重要;另外本文還以無(wú)量綱參數(shù)畢渥數(shù)為變量，首次提出在氣膜孔出口下游用指數(shù)關(guān)系擬合公式ηf=f(Bi）和ηf=f(x，Bi）來(lái)描

4、述真實(shí)氣膜冷卻效率的思想，并檢驗(yàn)了擬合公式的合理性。
　　第二部分:渦輪葉柵端壁氣膜冷卻特性及溫度場(chǎng)相似性研究。通過(guò)高溫風(fēng)洞及遠(yuǎn)紅外熱像實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)氣膜冷卻端壁表面在某種特定環(huán)境下可以出現(xiàn)溫度場(chǎng)相似性現(xiàn)象;利用經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證的數(shù)值策略，模擬再現(xiàn)了這種溫度場(chǎng)相似的現(xiàn)象，并發(fā)現(xiàn)了相似的端壁表面溫度場(chǎng)云圖刻度隨設(shè)定主流溫度和冷氣流溫度變化的線(xiàn)性規(guī)律;理論分析相似性現(xiàn)象的原因，并給出相似性現(xiàn)象的成立條件;首次提出定量描述云圖之間相似性現(xiàn)象的

5、方法，包括相似性的定義、相似性程度以及最大偏差的描述公式;根據(jù)相似性和線(xiàn)性規(guī)律，提出端壁表面溫度分布圖的間接和直接預(yù)測(cè)方法，并介紹了如何計(jì)算預(yù)測(cè)方法的偏差。使用本文提出的預(yù)測(cè)方法可以極大的減少實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬的工作量及費(fèi)用。
　　第三部分:旋轉(zhuǎn)葉片頂部泄漏流特性研究。針對(duì)泄露流實(shí)驗(yàn)研究中使用的三類(lèi)設(shè)備，通過(guò)數(shù)值模擬，比較了這些設(shè)備對(duì)應(yīng)的三種運(yùn)動(dòng)方式:1）葉片和端壁均為靜止(BSSS);2)葉片靜止而端壁做直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)(BSSM);3)葉

6、片做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)而端壁靜止(BRSS)，即:真實(shí)運(yùn)動(dòng)情況。討論了在吹風(fēng)比為1.5時(shí)，不同轉(zhuǎn)速（1000r/min、2500r/min和4000r/min）對(duì)頂部間隙流動(dòng)影響。通過(guò)比較葉頂間隙和主流通道的流場(chǎng)發(fā)現(xiàn):(1)BSSS工況下的結(jié)果與BRSS工況的結(jié)果有明顯差異，而采用相對(duì)運(yùn)動(dòng)方式的BSSM得到的結(jié)果與真實(shí)BRSS工況下的結(jié)果偏差較小;(2)BSSS與BRSS方式流場(chǎng)差異的主要原因在于由間隙流與外殼相對(duì)速度不同引起的粘性力的不同，因而