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《中国科学技术大学》 2016年
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高温燃气涡轮叶片的内部冷却和脉动气膜冷却的数值研究

柯招清  
【摘要】:涡轮叶片作为燃气涡轮航空发动机中非常重要的组成部分,需要在高温高压的恶劣环境下为发动机做功。为了防止涡轮叶片被高温高压燃气烧蚀,在稳定工作的前提下保证合理的使用寿命,涡轮叶片内部通常设计为弯曲的蛇形通道,将压气机中的高压气体引入到该蛇形通道中充当冷气,通过冷气在通道内的流动以强化对流换热的形式带走叶片的热量,最后将冷气从叶片表面的气膜孔中排出,从而在叶片表面形成一层冷气膜,阻隔高温燃气,进一步为涡轮叶片提供保护。研究和了解涡轮叶片内部通道冷却和气膜冷却中涉及的流动和传热特性,对于优化涡轮叶片现有的冷却结构、开发出更有效率的冷却方案具有举足轻重的地位。而随着计算机软硬件的不断升级和湍流模型的持续改进,数值模拟已经成为越来越重要的研究手段。本文采用数值模拟方法,结合实验数据,分两部分创新性的研究了涡轮叶片的内部通道冷却和气膜冷却,主要内容如下:第一部分,真实涡轮叶片内部冷却通道研究。这部分通过实验和数值模拟相结合的方法探讨了一个包含三个流道的某真实低压涡轮叶片内部蛇形弯曲冷却通道内的流动和传热特性。该弯曲通道由两个进口流道、两块分割板、三个主体流道、两个180度转弯、25个尾缘矩形槽出口和两个顶部出口组成。首先,在实验研究中,以纯净水作为流动工质,利用粒子图像测速技术(Particle Image Velocimetry, PⅣ)拍摄了该冷却通道中5个不同截面上的二次流的速度向量分布,同时用玻璃转子流量计测量了通道各个出口的质量流率。其次,利用商业软件ANSYS CFX 13.0对该冷却通道的流动做了数值模拟研究,比较了4种不同湍流模型预测蛇形通道复杂流场的能力。这4种湍流模型分别是:SSG RSM湍流模型、SST k-ω湍流模型、RNG k-湍流模型和标准k-ε湍流模型。通过将实验测量速度场与计算结果的二次流流动特征、主流速度变化趋势和出口质量流率等定性和定量的比较,最终发现SSG RSM湍流模型能更好的预测涡轮叶片真实内部蛇形弯曲冷却通道内的流动特性,因此选择该模型继续进行余下的研究。最后,以理想气体作为冷却工质,用数值模拟方法探讨了进口雷诺数和叶片旋转数对冷却通道传热效果的影响。研究发现了3个有趣的现象:1)通道局部平均努塞尔数随着进口雷诺数的增加而增加,然而增加幅度与适用于圆柱型直管的Dittus-Boelter公式(即:Nuo=0.023Re0.8Pr0.4)明显不同。由于冷却通道180度转弯和蛇形弯曲几何形状的设计,进口雷诺数对努塞尔数的影响被急剧增强,该增加幅度可用两个新的拟合系数表示。2)相比于静止状态,旋转通道的平均努塞尔数增加了,在第一和第三流道,压力面上平均努塞尔数的增强幅度比吸力面上的高,而在第二流道,情况刚好相反。3)在第三流道中,越高的旋转数使得通道压力面和吸力面的平均努塞尔数分布越加均匀。第二部分,涡轮叶片表面脉动气膜冷却数值研究。脉动气膜冷却是一个相对新的、重要的研究课题。在现有的文献中,研究脉动气膜冷却的原因有两种不同的论述:1)在真实的燃气叶片运行环境下,来自燃烧室的高温气体并非处于理想稳定的状态,来流的压力脉动会导致冷气注射量的脉动。此外,静叶与动叶之间的相对运动也会导致叶片表面压力周期性变化,而冷气注射压力处于稳定状态,这就导致真实的气膜冷却处于周期性脉动状态。2)作为一种潜在的新的冷却手段,脉动的气膜冷却不仅可以减少冷气的消耗,还能维持甚至提高涡轮叶片的冷却效果。过去对脉动气膜冷却的研究基本局限在平板或者半圆柱形几何上,没有考虑真实叶片形状(包含凸凹两种曲面)的影响。为了弥补这一研究不足,本文基于整个涡轮叶片表面的脉动气膜冷却,用数值模拟方法分析了真实涡轮叶片在绝热和耦合传热两种不同条件下脉动气膜冷却的表现。首先在一个修改的NASA C3X叶片上进行了绝热脉动气膜冷却研究,该叶片有5排气膜孔,其中3排在叶片前缘,另外两排分别在叶片的压力面和吸力面。研究中选用了方形波和正弦波两种波形对冷气注射实施脉动,探讨了3种不同吹风比(blowing ratio,0.5、 0.75和1.0)和4种不同斯特劳哈尔数(Strouhal number,0.0027、0.0054、0.0108和0.0216)对绝热壁面叶片气膜冷却效率的影响。通过该部分研究,我们发现了如下3个有趣的现象:1)在叶片的前缘和压力面,当吹风比或者斯特劳哈尔数当中的任何一个增大时,绝热气膜冷却效率减小了;可是在吸力面,情况正好相反。2)相比于方形波脉动,正弦波脉动能很好的抑制高温主流入侵到气膜孔中的现象,为叶片提供更好的保护。3)在叶片前缘,当吹风比为0.75和1.0时,正弦波脉动流取得了比稳定流更高的绝热气膜冷却效率,显示了脉动气膜冷却的潜在优势。最后在一个完整的NASA C3X叶片上进行了耦合传热条件下的脉动气膜冷却研究,该叶片有9排气膜孔,其中2排孔在叶片吸力面、5排孔在叶片前缘,还有2排孔在叶片压力面。耦合传热条件下考虑了固体叶片导热的影响,同样选用了方形波和正弦波两种脉动波形,讨论了3种不同吹风比(0.78、1.17和1.56)和4种不同斯特劳哈尔数(0.0029、0.0058、0.0116和0.0232)对叶片努塞尔数分布的影响,结果显示:耦合传热条件下,1)在叶片的吸力面,当冷气吹风比增加时,稳定流所展现的Rowl孔下游的努塞尔数减小了,但脉动流在同一区域的努塞尔数却变化不大,说明了在高吹风比条件下应用脉动气膜冷却并不合适。而在叶片的压力面上,当稳定流和脉动流的吹风比逐渐增加时,脉动流与稳定流所展示的努塞尔数的差值逐渐减小,当达到最大吹风比时,脉动流得到了比稳定流更小的努塞尔数值,说明在压力面上,高吹风比条件更适合运用脉动气膜冷却。因此可见,压力面和吸力面情况刚好相反。2)在叶片的吸力面和前缘区,当斯特劳哈尔数从0.0029增加到0.0116时,同一种流动形式的努塞尔数是减小的,但之后当斯特劳哈尔数继续增加到0.0232时,努塞尔数开始增大,该现象说明了在吸力面和前缘区域,如何正确的选择脉动频率非常关键。而在叶片的压力面上,无论对于哪一种流动形式,努塞尔数值都随着斯特劳哈尔数的增加而单调增加。
【学位授予单位】:中国科学技术大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:V232.4

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