渦輪機(jī)匣內(nèi)部陣列沖擊流動換熱特性研究.pdf

1、作為發(fā)動機(jī)承力系統(tǒng)的重要構(gòu)件，渦輪機(jī)匣內(nèi)部空氣流動和換熱特性顯著影響了機(jī)匣溫度及變形規(guī)律。本文以兩種渦輪機(jī)匣部件為研究對象，利用數(shù)值模擬和試驗研究相結(jié)合的方法，對渦輪機(jī)匣內(nèi)部流場結(jié)構(gòu)、流動損失、機(jī)匣內(nèi)部沖擊換熱特性以及外環(huán)燃?xì)鈧?cè)表面的綜合冷卻效率展開了分析，為進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計及工程研制提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)參考。
　　論文首先利用三維數(shù)值模擬方法，針對A型渦輪機(jī)匣的冷卻方案開展計算，獲得了典型設(shè)計狀態(tài)下機(jī)匣內(nèi)部復(fù)雜多排陣列沖擊冷卻中的空氣運(yùn)

2、動特征和流量分配規(guī)律，并就每一個流路進(jìn)行了對應(yīng)的流動損失和沖擊靶板換熱特性的分析。同時還研究了供氣狀態(tài)變化對渦輪機(jī)匣內(nèi)部的流動換熱的影響規(guī)律。研究中發(fā)現(xiàn)，機(jī)匣內(nèi)部空氣流動損失主要發(fā)生在各節(jié)流孔處，最大相對壓降可達(dá)519MPa。由于機(jī)匣多層結(jié)構(gòu)特征，沖擊射流在腔內(nèi)會形成多個渦系結(jié)構(gòu)。計算結(jié)果表明，不同位置陣列沖擊射流的流動和換熱規(guī)律差異很大，機(jī)匣結(jié)構(gòu)和出流孔會顯著影響沖擊射流空間發(fā)展，進(jìn)而導(dǎo)致局部和平均換熱效果改變。機(jī)匣溫度最高出現(xiàn)在一級

3、外環(huán)靠近燃?xì)鈧?cè)，最低出現(xiàn)在二級外環(huán)上側(cè)靠近冷氣側(cè)的機(jī)匣處。
　　在此基礎(chǔ)上，針對A型機(jī)匣帶出流孔的典型冷卻單元利用熱膜法開展了試驗研究，重點(diǎn)分析了沖擊靶板Nu數(shù)隨沖擊雷諾數(shù)Rej（3400~14000）、沖擊間距比H/d（2~4.5）、沖擊孔出流孔間距與沖擊孔直徑比 P/d（1.875~3.875）等參數(shù)的變化規(guī)律。試驗中發(fā)現(xiàn)隨著沖擊雷諾數(shù) Rej的增加，內(nèi)表面換熱系數(shù)逐步增強(qiáng)。出流孔的存在能局部強(qiáng)化靶板的換熱特性。當(dāng) P/d=2

4、.875時，陣列沖擊/氣膜復(fù)合冷卻結(jié)構(gòu)內(nèi)表面換熱效果達(dá)到最佳，而在本文研究工況下，H/d對局部換熱系數(shù)的影響整體不大。
　　最后，文章針對B型渦輪機(jī)匣冷卻結(jié)構(gòu)，分別就高壓和低壓部分進(jìn)行了數(shù)值模擬計算，獲得了典型設(shè)計狀態(tài)下的高低壓渦輪機(jī)匣沖擊/氣膜復(fù)合冷卻下的流量分配、流動損失、換熱特性和綜合冷卻效果。研究中發(fā)現(xiàn)，不同工作狀態(tài)下流量分配規(guī)律基本保持不變。沖擊射流可以有效提高靶面的局部換熱效果，同時也受到了出流孔和機(jī)匣結(jié)構(gòu)的顯著影響。