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《南京航空航天大学》 2007年
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静止和旋转条件下“冲击/稀疏气膜”双层壁换热特性研究

徐磊  
【摘要】: 随着航空发动机涡轮前入口温度的进一步提高,传统的叶片冷却结构已经不能很好满足这一要求,必然要求新的叶片冷却结构或冷却方式与之相适应。“冲击/气膜”复合冷却为实现涡轮静止叶片高效低阻的冷却发挥了很大作用,一些涡轮转子叶片也在叶片前缘应用了此技术。“层板叶片”、及“双层壁叶片”已经成为国内外学者在发动机高温部件冷却方面的研究热点,这些冷却结构的共同特点是集冲击冷却、对流冷却和气膜冷却于一体,具有冷气消耗量少、冷却效率高的优点,被认为是下一代航空发动机的关键技术。为了将双层壁换热结构推广应用于旋转工作叶片并优化其换热结构,本文运用实验和数值方法对静止和旋转状态下“冲击/稀疏气膜”双层壁换热特性展开了深入细致的研究。 静止条件下,改变冲击雷诺数Rej、横流射流密流比Gc/Gj、气膜出流与横流密流比Gf/Gc、无因次通道高度z/d及冲击孔与气膜孔沿流向相对距离p/df等流动参数和几何参数,对“冲击/气膜”复合冷却内部流动换热展开研究,揭示气膜孔局部换热特点以及其与冲击换热的相互影响过程,为进一步细化双层壁内部结构、解决冲击换热所占比例问题提供理论上的指导。接着,在实验工况下数值研究了实验件内部的流动换热情况,进一步揭示流场的细节,解释实验流动换热的规律。研究表明,气膜出流对冷气侧气膜孔附近壁面换热的强化小于冲击对壁面换热的强化。气膜孔与冲击孔的相对距离太小时,容易导致冲击射流未充分冲击冷却冲击靶面,有相当一部分直接从气膜孔流出,降低了冲击射流的冲击冷却效率。气膜孔与冲击孔的有一定的相对距离时,气膜冷却介质抽出对靶面的换热是有益的;一方面是由于气膜溢流对换热的强化,另一方面是冷却介质的抽出减少了横流,减小了横流对射流的偏转。 根据冲击与气膜出流各自的换热特点及彼此间的相互影响,并考虑到叶片内外壁之间导热可能对叶片内部换热作出的贡献以及旋转流场的结构等,本文提出了一种“冲击/稀疏气膜”双层壁换热结构,旨在将其应用于旋转工作叶片。首先对其内部流动换热过程在旋转坐标下进行建模并理论分析,研究其实质的物理过程,并推导基本控制方程解的一般函数关系式,从而得到物理问题的主要影响因素,为进一步的实验研究和数值模拟提供指导。 旋转条件下,针对所提出的“冲击/稀疏气膜”双层壁换热结构,并在前面理论分析的基础上,对这种冷却结构的内部平均换热特性进行了研究,得到冲击雷诺数Rej、旋转数Ro、无因次温比(Tw-Tf)/Tw对换热的影响规律。为了重点考察该结构内部导热隔板对换热的贡献,同时进行了隔板绝热时换热实验,把其实验结果与隔板导热时的情况进行了对比,定量给出隔板对换热的强化程度。研究表明,靶面的换热随冲击雷诺数的增加而变好;旋转对换热有削弱作用;实验范围内浮升力对换热的影响较小;离心力、哥氏力等对换热的影响程度与内部空气的流动结构及出流方式有关;通过对隔板导热时实验结果与隔板绝热时实验结果的比较发现,在不同的流动和旋转状态下,前者换热能力强于后者15%以上。在实验研究的基础上,运用RSM湍流模型对旋转状态下“冲击/稀疏气膜”双层壁内部流动换热进行了详细的三维数值模拟,计算与实验工况相同。数值模拟详细、全面地展现了双层壁内部复杂的流场结构和换热分布,尤其是对旋转所带来的流场的新特征都进行了细致的揭示。数值模拟结果表明,冲击射流偏转、冲击翻卷涡、二次流及气膜出流等这些流动结构的存在对换热有显著的影响,也进一步说明了实验结果的变化趋势。 最后,在真实发动机工况下,对带燃气主流的双层壁结构的叶盆燃气侧换热特性进行了数值模拟,并与全气膜冷却以及无内部对流全气膜的情况进行了对比。结果表明,双层壁结构叶片换热特性明显优于全气膜的情况,双层壁间恰当的压降分配可以使叶片外壁热侧气膜贴壁良好。
【学位授予单位】:南京航空航天大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2007
【分类号】:V231.1

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【参考文献】
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