燃?xì)馔钙饺~片冷卻通道及葉頂間隙流動(dòng)和換熱研究.pdf

1、燃?xì)馔钙匠１挥鳛楹娇瞻l(fā)動(dòng)機(jī)的“心臟”?？v觀航空技術(shù)的發(fā)展歷程，每一次重大進(jìn)展都離不開燃?xì)馔钙皆O(shè)計(jì)及制造技術(shù)的革新。由于航空發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用的特殊性，它無疑集中體現(xiàn)了現(xiàn)代動(dòng)力機(jī)械設(shè)計(jì)和制造的最先進(jìn)水平，并代表著新一代動(dòng)力機(jī)械的發(fā)展方向。正因如此，航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)歷來是世界發(fā)達(dá)國家優(yōu)先發(fā)展、高度壟斷、嚴(yán)密封鎖的關(guān)鍵技術(shù)，也是一個(gè)國家軍事裝備水平、科技發(fā)展、工業(yè)實(shí)力及綜合國力的重要標(biāo)志之一。在我國，為了滿足高性能、大推力戰(zhàn)斗機(jī)的發(fā)展需求，新一代燃?xì)馔?/p>

2、平的研發(fā)刻不容緩。
　　 在保持戰(zhàn)斗機(jī)重量和尺寸不變的前提下，提高透平入口燃?xì)鉁囟仁翘岣甙l(fā)動(dòng)機(jī)性能的重要途徑之一。然而這是一柄雙刃劍，因?yàn)樘岣呷細(xì)馊肟跍囟仍讷@得更高的發(fā)動(dòng)機(jī)推重比的同時(shí)，給發(fā)動(dòng)機(jī)高溫部件的可靠性和使用壽命也帶來巨大威脅，特別是透平葉片。因此必須采取有效的透平葉片冷卻技術(shù)來應(yīng)對這一威脅，以保障高溫、高壓、高轉(zhuǎn)速工作條件下發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性和使用壽命。從早期的葉片內(nèi)部簡單直接冷卻技術(shù)，到如今先進(jìn)的氣膜冷卻、層板冷卻、內(nèi)通

3、道肋片與外表面氣膜組合冷卻技術(shù)，燃?xì)馔钙桨l(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)伴隨著葉片冷卻技術(shù)的改進(jìn)而迅速發(fā)展。盡管如此，人們對透平葉片冷卻技術(shù)仍然不斷提出更高的要求：如何設(shè)計(jì)最佳的冷卻結(jié)構(gòu)在達(dá)到更好冷卻效果的同時(shí)降低二次流氣動(dòng)損失？如何用最少的冷卻介質(zhì)達(dá)到更合理的冷卻效率分布？自航空發(fā)動(dòng)機(jī)問世以來，圍繞諸如此類伴隨著發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)發(fā)展而衍生的課題，無數(shù)科研工作者做了大量的研究工作。盡管如此，時(shí)至今日，這些研究課題依舊非常熱門。
　　 本文以實(shí)驗(yàn)研究為基礎(chǔ)，

4、結(jié)合數(shù)值模擬計(jì)算，針對航空發(fā)動(dòng)機(jī)透平葉片內(nèi)部肋化冷卻通道以及葉片頂部間隙區(qū)的流動(dòng)和換熱特性，展開了一系列基礎(chǔ)科學(xué)問題研究。研究內(nèi)容主要可分為以下三個(gè)部分：
　　 第一部分，透平葉片內(nèi)部肋化通道換熱及流阻特性實(shí)驗(yàn)。搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，設(shè)計(jì)了兩種不同幾何結(jié)構(gòu)的矩形肋化冷卻通道：單面斜肋通道和雙面交錯(cuò)排列斜肋通道。測量兩種冷卻通道的局部和平均換熱系數(shù)以及肋片導(dǎo)致的二次流氣動(dòng)壓力損失，綜合比較了兩種冷卻通道的綜合換熱效率。所展示的測量數(shù)據(jù)不僅

5、可為肋化通道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考，還可為數(shù)值模擬時(shí)選擇湍流模型及檢驗(yàn)計(jì)算方法提供驗(yàn)證數(shù)據(jù)源。針對附加肋片可以強(qiáng)化換熱但同時(shí)導(dǎo)致流動(dòng)壓力損失增大這一問題，根據(jù)流場的相似性原理，本文首先提出一種肋化通道的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，即：先固定肋片高度e，改變肋片間距p，通過實(shí)驗(yàn)得到綜合換熱效率最高的肋片間距與高度比p／e；然后固定所得到的最佳p／e，改變肋片高度e，尋求固定幾何通道中的最佳肋片高度。通過上述兩步優(yōu)化過程，可得到固定幾何形狀的最佳肋片高度和間距

6、設(shè)計(jì)參數(shù)。此優(yōu)化方法的特點(diǎn)在于能較大地減少肋片優(yōu)化設(shè)計(jì)工作量，提高肋化通道設(shè)計(jì)工作效率。
　　 第二部分，葉頂間隙區(qū)流動(dòng)和換熱的實(shí)驗(yàn)和數(shù)值研究。利用學(xué)校工程實(shí)驗(yàn)中心先進(jìn)的示蹤粒子圖像測速技術(shù)（PIV），捕捉旋轉(zhuǎn)葉片頂部間隙區(qū)特征截面上的速度分布。通過不同截面上的速度分布，觀察葉片頂部泄漏渦的產(chǎn)生和發(fā)展過程，分析泄漏流和葉柵通道流的混合特性。在實(shí)驗(yàn)研究的同時(shí)，本文利用商業(yè)軟件，開展葉片頂部間隙流動(dòng)的換熱數(shù)值研究，并以實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為依據(jù)

7、，比較利用五種湍流模型所得數(shù)值計(jì)算結(jié)果。數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測量數(shù)據(jù)比較的表明：使用RNGk-ε湍流模型得到的數(shù)值結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測量數(shù)據(jù)最接近。此外，本文通過實(shí)驗(yàn)還觀測到葉片頂部不同位置氣膜孔冷氣射流對泄漏流的阻擋作用。為了深入研究氣膜冷卻對泄漏流的影響，本文設(shè)計(jì)了不同氣膜孔排布方式和氣膜孔角度，用經(jīng)過實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)的湍流模型和數(shù)值方法，比較了不同氣膜孔設(shè)計(jì)方式的差異，并在此基礎(chǔ)上提出改進(jìn)葉頂氣膜孔設(shè)計(jì)的建議。
　　 第三部分，葉片旋轉(zhuǎn)和間

8、隙高度對葉頂間隙區(qū)換熱的影響。在研究旋轉(zhuǎn)葉片頂部的流動(dòng)和換熱特性時(shí)，前人采用的實(shí)驗(yàn)狀態(tài)有三種：1）葉片和端壁都處于靜止?fàn)顟B(tài)，2）葉片靜止而端壁運(yùn)動(dòng)的狀態(tài),3）葉片旋轉(zhuǎn)而端壁靜止的狀態(tài)。真實(shí)葉片的工作狀態(tài)是第三種，然而受實(shí)驗(yàn)測量手段的制約，當(dāng)前大多數(shù)實(shí)驗(yàn)研究是在第一種和第二種狀態(tài)下進(jìn)行的，第三種狀態(tài)下進(jìn)行的很少，而且都是針對低溫低壓低轉(zhuǎn)速條件的。由于前兩種近似實(shí)驗(yàn)方案與實(shí)際葉片的工況相差很大，人們不斷地提出疑問：近似方案究竟能否準(zhǔn)確模擬葉

9、頂?shù)牧鲃?dòng)和換熱情況？不同實(shí)驗(yàn)研究中方案如何選取？針對前人研究葉片頂部間隙泄漏流采用不同實(shí)驗(yàn)方案的爭議，本文以GE-E3旋轉(zhuǎn)葉片為模型，在旋轉(zhuǎn)速度8450r/min的條件下，選取三種間隙高度0.3，0.75，1.2mm(分別對應(yīng)于葉片高度的1％，2.5%,4%)，采用前人推薦并用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證過的旋轉(zhuǎn)問題湍流模型，用數(shù)值模擬方法，綜合分析了三種實(shí)驗(yàn)狀態(tài)下間隙高度對葉片頂部間隙區(qū)的流動(dòng)和換熱特性影響。本文通過數(shù)值分析，提出不同間隙高度下與真實(shí)