高溫燃?xì)獍l(fā)動機(jī)葉片的沖擊冷卻與氣膜冷卻的數(shù)值研究.pdf

1、隨著燃?xì)獍l(fā)動機(jī)在航空飛行器的動力系統(tǒng)、海上輪船的推進(jìn)系統(tǒng)以及陸地電廠的發(fā)電系統(tǒng)中應(yīng)用越來越廣泛，提高燃?xì)獍l(fā)動機(jī)效率變得更加重要。根據(jù)燃?xì)獍l(fā)動機(jī)工作的Brayton循環(huán)原理可知，發(fā)動機(jī)的熱效率和輸出功率隨著發(fā)動機(jī)葉片入口溫度的增高而增加。當(dāng)前的F119-PW-100透平風(fēng)扇發(fā)動定子前緣溫度已達(dá)到1600℃，而為了滿足研制更加先進(jìn)發(fā)動機(jī)的需求，需要葉片入口溫度達(dá)到約2200℃，這個溫度遠(yuǎn)高于葉片的金屬材料熔點(diǎn)。因此，為了讓葉片在高溫下持續(xù)可

2、靠工作，需要使用新的耐熱材料和引進(jìn)先進(jìn)葉片冷卻技術(shù)。然而，相比于研制新的材料或者工藝，采用先進(jìn)的冷卻技術(shù)所帶來的葉片入口溫度的增加更為顯著。而沖擊冷卻和氣膜冷又是先進(jìn)冷卻技術(shù)中最為重要的兩種方法，值得更多關(guān)注。本文將使用數(shù)值模擬計算分別討論用于高溫燃?xì)獍l(fā)動機(jī)葉片內(nèi)部層板結(jié)構(gòu)的沖擊氣膜冷卻和葉片外部的氣膜冷卻的流動與特性。內(nèi)容主要包含:
　　 第一部分：層板結(jié)構(gòu)的沖擊氣膜冷卻
　　 這部分分析了應(yīng)用于葉片冷卻的多孔層板結(jié)構(gòu)

3、的沖擊氣膜冷卻技術(shù)。進(jìn)行數(shù)值分析時，先需要對計算模型進(jìn)行驗(yàn)證。驗(yàn)證過程是通過將用不同模型計算得到的速度場與相同條件下PIV測量的速度場相對比。結(jié)果顯示，以Shear StressTransport k-ω(SST k-ω)湍流模型計算得到的速度場與實(shí)驗(yàn)測量數(shù)據(jù)最為接近。同時，使用熱像儀測量高溫條件下層板表面的溫度檢測了SSTk-ω模型計算層板傳熱的精度，結(jié)果滿足計算要求。因此，SSTk-ω湍流模型將用于層板冷卻研究。在模型選取后，使用流

4、固耦合傳熱計算方法，討論沖擊孔、擾繞流柱、氣膜孔的數(shù)目比、流柱排列方式以及氣膜孔的傾斜角度對多孔層板的冷卻效率和阻力損失的影響。然后使用單向耦合計算方法，（即假設(shè)由于熱應(yīng)力引起的結(jié)構(gòu)變形不會影響層板上的溫度分布以及層板內(nèi)部和外部流場）將由CFD計算得到的層板溫度作為體載荷，開始層板結(jié)構(gòu)上的熱應(yīng)力分析。在完成應(yīng)力計算后，使用Goodman-diagram方法進(jìn)行層板安全校核。最后，結(jié)合正交試驗(yàn)方法和數(shù)值計算，討論氣膜孔角度、擾流柱直徑、擾

5、流柱排列方式、擾流柱高度以及氣流吹風(fēng)比的改變對層板的冷卻效率以及阻力損失的影響趨勢以及影響權(quán)重，為優(yōu)化層板結(jié)構(gòu)提供參考。
　　 第二部分：跨音速轉(zhuǎn)子氣膜冷卻
　　 在這一部分里，選取Pratt&Whitney公司研制的單級高性能發(fā)動機(jī)葉片來分析在葉片正常運(yùn)行工況下發(fā)動機(jī)內(nèi)定子和轉(zhuǎn)子的相互作用對轉(zhuǎn)子上的壓力與氣膜冷卻特性的影響。因?yàn)槿~片通道與層板結(jié)構(gòu)內(nèi)的流動特征顯著不同，因此湍流模型需要重新驗(yàn)證。由于缺少實(shí)際工況下該葉片上

6、的溫度與壓力測量數(shù)據(jù)，這里選取實(shí)驗(yàn)測量到的葉片定子和轉(zhuǎn)子葉柵通道中定子和轉(zhuǎn)子上的壓力分布以及一個縮擴(kuò)型噴管上的壁面上的壓力分布作為參考，并與使用不同湍流模型得到的壓力值進(jìn)行對比。比較發(fā)現(xiàn)，由Realizable k-ε湍流模型計算得到的結(jié)果最接近實(shí)驗(yàn)值，因此，將Realizable k-ε模型作為研究跨音速葉片通道內(nèi)流動和傳熱分析的模型。研究內(nèi)容:首先使用該模型分析由轉(zhuǎn)子尾槽注入冷卻氣冷卻以及定子上氣膜孔冷卻的特性。然后，以2D模型分析