涡轮高效冷却结构设计方法及换热机理研究

发布时间：2017-09-28 13:27

  本文关键词：涡轮高效冷却结构设计方法及换热机理研究

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【摘要】：燃气涡轮作为航空发动机核心机重要部件之一,其性能优劣直接影响航空发动机的安全性及经济性。为了追求航空发动机高推重比及高效率,燃气涡轮入口温度逐渐攀升,迫切地需要在燃气涡轮气动及传热技术方面实现突破。本文着眼于高推重比航空发动机高温涡轮叶片的传热机理及设计方法,依靠自编程序搭建涡轮叶片冷却结构设计平台及气热耦合优化设计方法;借助数值模拟方法研究了典型涡轮叶片外壁面及端壁换热特性及典型冷却结构单元内部流动换热机理。搭建了高温涡轮叶片冷却结构设计平台,该平台能够快速实现冷却结构设计,并评估冷却结构冷却性能;依据该平台完成了高温涡轮叶片不带气膜及带气膜两套冷却结构设计,设计结果表明该平台能够满足方案设计要求,且有效的避免设计过程中的盲目性,提高设计灵活性。搭建了考虑叶型及冷却结构的气热耦合优化设计平台,提出了能够同时考虑最高温度、平均温度、高温区面积、流阻系数及气动效率的目标函数,采用该优化策略寻优到气动及传热效果均较佳的方案。对比了整级优化以及静叶、动叶单独优化,发现采用静叶、动叶单独优化较整级优化的优化效率有所提高。此外,依靠本文平台对冷却结构设计及气热耦合优化设计结果,发现采用现有结构与新一代航空发动机对冷却的需求差距较大。本文对典型涡轮叶片外壁面换热特性进行研究,数值结果表明马赫数对涡轮叶片转捩影响不大;湍流度、湍流尺度及表面粗糙度的增大使转捩提前发生,并改变吸力面的压力凸起,表明吸力面转捩由分离导致转捩转变为旁通转捩。研究了弯叶片对典型涡轮不同工况端壁流动换热影响机制,发现弯叶片影响横向二次流并在非设计工况下使吸力面旋涡贴近叶片壁面运动、降低旋涡尺度从而降低端壁换热。弯叶片也可使前缘滞止点移动至压力面附近,减小了端壁热负荷。本文通过研究层板结构扰流柱参数对换热的影响,得出了扰流柱排布改变综合换热性能的机制,并给出最佳扰流柱结构形式。在高温涡轮叶片典型层板、双层壁冷却单元添加了凹坑结构,数值结果表明,合理地添加凹坑结构能够在保证流阻系数变化不大的情况下显著增大冲击靶面换热,进而减小外壁面温度。然而,过深或者过大的凹坑将会急剧降低冲击靶面换热。本文研究了高温涡轮叶片尾缘收敛通道凹坑-扰流柱换热提升机制,数值结果表明,凹坑添加后导致收敛通道流体冲击凹坑内下游壁面,流体流出凹坑后再附并与扰流柱前缘区域旋涡发生相互作用,从而增大了当地换热。此外,凹坑横向布置于扰流柱之间能够在增大换热的同时,增大流动面积从而减小流阻。而后针对收敛通道收敛角及凹坑深度对换热特性的影响发现,在大收敛角情况下,最佳凹坑深度比小收敛角情况下的最佳凹坑深度小,文中也给出了综合换热性能最佳的凹坑参数。
【关键词】：航空发动机 高温涡轮 外部传热 内部传热 设计优化方法
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V235.1
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-14
• 符号表14-16
• 第1章 绪论16-39
• 1.1 课题研究的背景及意义16-19
• 1.2 冷却结构设计的关键技术19-21
• 1.3 高效冷却结构的作用机制21-33
• 1.3.1 外部换热23-26
• 1.3.2 前缘双层壁区域换热26-28
• 1.3.3 叶片弦长中部区域换热28-29
• 1.3.4 尾缘区域换热29-32
• 1.3.5 高效冷却结构设计32-33
• 1.4 传热与气动耦合优化设计机制33-36
• 1.4.1 气动优化设计发展33-35
• 1.4.2 涡轮气动传热协同优化设计发展35-36
• 1.5 本文主要研究目的及内容36-39
• 第2章 冷却结构设计分析方法及验证39-66
• 2.1 引言39
• 2.2 管网设计分析方法39-47
• 2.2.1 控制方程39-43
• 2.2.2 节点控制方程43
• 2.2.3 管网计算的求解方法43-44
• 2.2.4 平台搭建44-47
• 2.3 三维计算分析方法47-60
• 2.3.1 控制方程47-48
• 2.3.2 湍流模型48-50
• 2.3.3 气动及传热网格生成方法及收敛性研究50-60
• 2.4 计算及分析方法验证60-65
• 2.4.1 涡轮端壁计算方法验证60-62
• 2.4.2 涡轮外壁面换热数值验证62-63
• 2.4.3 涡轮冲击换热数值验证63-64
• 2.4.4 尾缘区域换热数值验证64-65
• 2.5 本章小结65-66
• 第3章 涡轮高效冷却结构优化设计方法研究66-100
• 3.1 引言66
• 3.2 冷却结构设计方法研究66-84
• 3.2.1 不带气膜孔冷却结构设计66-75
• 3.2.2 带气膜孔冷却结构设计75-84
• 3.3 气热耦合优化设计方法研究84-98
• 3.3.1 静叶冷却结构及叶型气热耦合优化84-88
• 3.3.2 动叶冷却结构及叶型气热耦合优化88-93
• 3.3.3 整级冷却结构及叶型气热耦合优化93-98
• 3.3.4 冷却结构设计方法换热能力提升评估98
• 3.4 本章小结98-100
• 第4章 涡轮叶片外壁面及端壁流动换热机理研究100-115
• 4.1 引言100
• 4.2 不同进口参数对外壁面换热特性影响100-106
• 4.2.1 物理模型及研究方案100-102
• 4.2.2 进口雷诺数影响102-103
• 4.2.3 进口湍流度影响103-104
• 4.2.4 进口湍流尺度影响104-105
• 4.2.5 进口马赫数影响105
• 4.2.6 粗糙度影响105-106
• 4.3 不同工况下弯叶片对涡轮端壁换热及气动的影响106-113
• 4.3.1 问题提出106-107
• 4.3.2 物理模型及研究方案107-108
• 4.3.3 一维数据分析108-109
• 4.3.4 弯叶片对传热的影响109-113
• 4.3.5 弯叶片对气动的影响113
• 4.4 本章小结113-115
• 第5章 涡轮内部层板及双层壁结构换热机理115-149
• 5.1 引言115
• 5.2 带扰流柱层板冷却结构中扰流柱参数对换热的影响115-126
• 5.2.1 研究方法以及目的115-116
• 5.2.2 物理模型116-117
• 5.2.3 计算边界条件及网格生成117
• 5.2.4 数据处理117-118
• 5.2.5 结果分析118-126
• 5.3 带扰流柱层板结构换热提升方法126-137
• 5.3.1 研究方法以及目的126
• 5.3.2 物理模型以及方案设计126-127
• 5.3.3 结果分析127-137
• 5.4 前缘双层壁强化换热研究137-148
• 5.4.1 研究方法以及目的137
• 5.4.2 物理模型137-139
• 5.4.3 结果及分析139-148
• 5.5 本章小结148-149
• 第6章 凹坑结构对涡轮尾缘换热强化的机理研究149-172
• 6.1 引言149
• 6.2 凹坑位置对尾缘带柱冷却结构流动换热影响149-160
• 6.2.1 问题提出及物理模型149-151
• 6.2.2 数据处理151-152
• 6.2.3 初始分析152-153
• 6.2.4 流场分析153-157
• 6.2.5 换热及流阻分析157-159
• 6.2.6 综合换热效果159-160
• 6.3 不同凹坑深度以及不同收敛角度对流动换热影响160-170
• 6.3.1 问题提出及物理模型160-161
• 6.3.2 流场分析161-163
• 6.3.3 收敛角度影响163-166
• 6.3.4 凹坑深度影响166-169
• 6.3.5 综合换热效果169-170
• 6.4 本章小结170-172
• 结论172-174
• 参考文献174-191
• 攻读博士学位期间发表的论文191-195
• 致谢195-196
• 个人简历196

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本文编号：936096