燃?xì)鉁u輪冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與氣熱彈多場耦合的數(shù)值研究.pdf

1、提高渦輪前燃?xì)鉁囟仁翘嵘郎u輪效率、增加推重比的重要手段。渦輪前進(jìn)口溫度的不斷提高，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了葉柵材料所能承受的溫度范圍。只有采用有效的渦輪熱防護(hù)措施才能夠保證葉片安全地正常工作。常用的的渦輪葉片冷卻方式包括氣膜冷卻、沖擊冷卻、擾流肋片、尾緣劈縫等?，F(xiàn)代燃?xì)鉁u輪必須采用多種冷卻方式的組合才能達(dá)到強(qiáng)化冷卻的目的，以滿足渦輪前溫度升高葉片材料不變對冷卻系統(tǒng)提出的新要求。隨著 CFD技術(shù)的不斷進(jìn)步，數(shù)值仿真越來越成為渦輪冷卻設(shè)計(jì)中的有力工具，準(zhǔn)

2、確預(yù)測渦輪葉片溫度以及應(yīng)力分布，是提高渦輪壽命和可靠性的基礎(chǔ)。本文的主要工作就是采用氣熱、熱彈耦合計(jì)算方法對某燃?xì)廨啓C(jī)葉柵進(jìn)行數(shù)值模擬，通過對計(jì)算結(jié)果的理論分析，研究影響渦輪冷卻效率的因素，并且將 CFD計(jì)算結(jié)果加載到有限元節(jié)點(diǎn)上，分析葉片的等效應(yīng)力狀態(tài)以及變形量。最后對某兩級四列葉柵進(jìn)行了冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并且根據(jù)實(shí)際冷卻效果，改進(jìn)初始設(shè)計(jì)以滿足冷卻設(shè)計(jì)要求。
　　幾何建模和網(wǎng)格離散是數(shù)值仿真研究的重要步驟，對于現(xiàn)代燃?xì)鉁u輪葉片來說

3、，為了保證葉片正常工作通常采用多種復(fù)雜冷卻手段，使得葉片總體的冷卻結(jié)構(gòu)非常繁雜。本文中對比了傳統(tǒng)手工方法建模與參數(shù)化葉片建模兩種方法，詳細(xì)介紹了兩種方法的建模過程。非參數(shù)化的燃?xì)鉁u輪冷卻葉片建模方法靈活、豐富的建模手段能夠精細(xì)刻畫局部冷卻結(jié)構(gòu)，多種形式的冷卻孔如復(fù)合角度孔、后傾擴(kuò)張孔都能夠按照當(dāng)?shù)氐睦鋮s特點(diǎn)布置。但是，該方法存在建模周期長、操作繁瑣而且易于出錯(cuò)等弊端，而且離散點(diǎn)的方式生成葉片實(shí)體結(jié)構(gòu)精度有限。相對于非參數(shù)化的幾何模型，渦

4、輪葉片型線經(jīng)過了參數(shù)化，即成為了一種由函數(shù)表達(dá)曲線的形式。相對于通常采用的一組離散點(diǎn)表達(dá)曲線的方法，函數(shù)表達(dá)的形式避免了由于離散點(diǎn)數(shù)量少、間距不合理、位置偏差等問題造成的插值誤差，能夠在造型過程中保證較高的精度，而且經(jīng)過了參數(shù)化過程，在需要修改葉片幾何外形的時(shí)候，通過改變相應(yīng)的控制參數(shù)就能方便快捷的生成新的幾何模型，大大縮短了設(shè)計(jì)周期。
　　影響渦輪葉片冷卻效率的因素有很多，本文中研究了不同主流湍流度和不同冷卻氣體配比條件下對于冷

5、卻效率的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，主流湍流度對于葉片型面上的壓力系數(shù)和速度比的影響較小，而于對壁面上的換熱作用影響較大。在葉片前緣處，低湍流度方案下的的冷卻效率略高于高湍流度方案，低湍流度的情況減少了噴射冷氣與主流的作用，使得冷氣覆蓋情況比高湍流度下的情況要好。而在葉片中后部區(qū)域，加速流動(dòng)的主流在高湍流度下使得冷氣的貼壁性較好，因此，葉片表面的冷卻效率在高湍流度下要略高于低湍流度的情況，在葉片尾緣處，由于冷卻氣膜的散失，失去了對葉片表面的保護(hù)作用

6、，各湍流度下的表面冷卻效率趨于一致。在不同冷卻氣體流量配比條件下，高的噴射動(dòng)量對壓力面冷卻是有益的，平均冷卻效率整體均略高于低冷卻氣體流量配比的情況。在吸力面，從總體上看冷卻射流動(dòng)量的增加降低了冷卻效率，高噴射動(dòng)量的方案僅僅在葉片前緣迎著主流的小范圍內(nèi)提高了冷卻效率，而后低噴射動(dòng)量的方案冷卻效率一直高于高噴射動(dòng)量的方案。
　　對某燃?xì)廨啓C(jī)四列冷卻葉柵進(jìn)行了冷卻結(jié)構(gòu)的初始設(shè)計(jì)與改進(jìn)，對初始設(shè)計(jì)的冷卻結(jié)構(gòu)進(jìn)行了冷卻效果的校核，并且以計(jì)