燃氣透平葉片冷卻通道及葉頂間隙流動和換熱研究.pdf

1、燃氣透平常被喻為航空發(fā)動機的“心臟”?？v觀航空技術(shù)的發(fā)展歷程，每一次重大進展都離不開燃氣透平設計及制造技術(shù)的革新。由于航空發(fā)動機應用的特殊性，它無疑集中體現(xiàn)了現(xiàn)代動力機械設計和制造的最先進水平，并代表著新一代動力機械的發(fā)展方向。正因如此，航空發(fā)動機技術(shù)歷來是世界發(fā)達國家優(yōu)先發(fā)展、高度壟斷、嚴密封鎖的關鍵技術(shù)，也是一個國家軍事裝備水平、科技發(fā)展、工業(yè)實力及綜合國力的重要標志之一。在我國，為了滿足高性能、大推力戰(zhàn)斗機的發(fā)展需求，新一代燃氣透

2、平的研發(fā)刻不容緩。
　　 在保持戰(zhàn)斗機重量和尺寸不變的前提下，提高透平入口燃氣溫度是提高發(fā)動機性能的重要途徑之一。然而這是一柄雙刃劍，因為提高燃氣入口溫度在獲得更高的發(fā)動機推重比的同時，給發(fā)動機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)來應對這一威脅，以保障高溫、高壓、高轉(zhuǎn)速工作條件下發(fā)動機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)，燃氣透平發(fā)動機技術(shù)伴隨著葉片冷卻技術(shù)的改進而迅速發(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：如何設計最佳的冷卻結(jié)構(gòu)在達到更好冷卻效果的同時降低二次流氣動損失？如何用最少的冷卻介質(zhì)達到更合理的冷卻效率分布？自航空發(fā)動機問世以來，圍繞諸如此類伴隨著發(fā)動機技術(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，時至今日，這些研究課題依舊非常熱門。
　　 本文以實驗研究為基礎，

4、結(jié)合數(shù)值模擬計算，針對航空發(fā)動機透平葉片內(nèi)部肋化冷卻通道以及葉片頂部間隙區(qū)的流動和換熱特性，展開了一系列基礎科學問題研究。研究內(nèi)容主要可分為以下三個部分：
　　 第一部分，透平葉片內(nèi)部肋化通道換熱及流阻特性實驗。搭建實驗平臺，設計了兩種不同幾何結(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)以及肋片導致的二次流氣動壓力損失，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)設計提供參考，還可為數(shù)值模擬時選擇湍流模型及檢驗計算方法提供驗證數(shù)據(jù)源。針對附加肋片可以強化換熱但同時導致流動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)化設計方法，即：先固定肋片高度e，改變肋片間距p，通過實驗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、設計參數(shù)。此優(yōu)化方法的特點在于能較大地減少肋片優(yōu)化設計工作量，提高肋化通道設計工作效率。
　　 第二部分，葉頂間隙區(qū)流動和換熱的實驗和數(shù)值研究。利用學校工程實驗中心先進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。在實驗研究的同時，本文利用商業(yè)軟件，開展葉片頂部間隙流動的換熱數(shù)值研究，并以實驗數(shù)據(jù)為依據(jù)

7、，比較利用五種湍流模型所得數(shù)值計算結(jié)果。數(shù)值計算結(jié)果與實驗測量數(shù)據(jù)比較的表明：使用RNGk-ε湍流模型得到的數(shù)值結(jié)果與實驗測量數(shù)據(jù)最接近。此外，本文通過實驗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，本文設計了不同氣膜孔排布方式和氣膜孔角度，用經(jīng)過實驗檢驗的湍流模型和數(shù)值方法，比較了不同氣膜孔設計方式的差異，并在此基礎上提出改進葉頂氣膜孔設計的建議。
　　 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)葉片頂部的流動和換熱特性時，前人采用的實驗狀態(tài)有三種：1）葉片和端壁都處于靜止狀態(tài)，2）葉片靜止而端壁運動的狀態(tài),3）葉片旋轉(zhuǎn)而端壁靜止的狀態(tài)。真實葉片的工作狀態(tài)是第三種，然而受實驗測量手段的制約，當前大多數(shù)實驗研究是在第一種和第二種狀態(tài)下進行的，第三種狀態(tài)下進行的很少，而且都是針對低溫低壓低轉(zhuǎn)速條件的。由于前兩種近似實驗方案與實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確模擬葉

9、頂?shù)牧鲃雍蛽Q熱情況？不同實驗研究中方案如何選??？針對前人研究葉片頂部間隙泄漏流采用不同實驗方案的爭議，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(分別對應于葉片高度的1％，2.5%,4%)，采用前人推薦并用實驗數(shù)據(jù)驗證過的旋轉(zhuǎn)問題湍流模型，用數(shù)值模擬方法，綜合分析了三種實驗狀態(tài)下間隙高度對葉片頂部間隙區(qū)的流動和換熱特性影響。本文通過數(shù)值分析，提出不同間隙高度下與真實