渦輪葉柵端壁氣膜冷卻及葉片頂部泄漏流研究.pdf

1、航空發(fā)動機是飛機的“心臟”。長期以來，航空發(fā)動機技術(shù)一直是發(fā)達國家優(yōu)先發(fā)展并且嚴密封鎖的關(guān)鍵技術(shù)，也是一個國家軍事實力乃至綜合國力的標志之一。我國正面臨著嚴峻的領(lǐng)土、領(lǐng)海糾紛，要實現(xiàn)“中國夢”、“強軍夢”，就必須有強大的空軍。我國高度重視新一代高性能戰(zhàn)斗機的研發(fā)。
　　為了提高戰(zhàn)斗機的性能，戰(zhàn)斗機不斷地向大推力、高速度、高機動性能的方向發(fā)展，因此燃氣透平的進口溫度需要不斷上升。目前，先進透平燃氣進口溫度已經(jīng)遠遠超過現(xiàn)有透平材料的熔

2、點。為了保證透平高溫部件的安全運行及合理壽命，除了使用更耐高溫的材料外，更為重要的是發(fā)展更加先進的冷卻技術(shù)。本文針對透平葉柵端壁氣膜冷卻以及旋轉(zhuǎn)葉片頂部泄漏流特性進行了研究，內(nèi)容主要分為以下三個部分。
　　第一部分:單個氣膜孔的冷卻特性研究。通過數(shù)值模擬方法，研究了三種新型氣膜孔結(jié)構(gòu)的冷卻效果。不同于傳統(tǒng)的純圓柱型氣膜孔，研究的氣膜孔結(jié)構(gòu)分別是:1）擴張的扇形圓角氣膜孔;2）擴張的扇形后傾圓角氣膜孔;3）新提出的擴張扇形后傾尖角氣

3、膜孔。通過比較三種氣膜孔的絕熱端壁表面溫度、冷卻效率以及速度場分布，可以發(fā)現(xiàn)新提出的扇形后傾尖角氣膜孔最優(yōu);通過比較不同吹風比下的冷卻效果，發(fā)現(xiàn)吹風比為1.5時具有最佳的冷卻效果;通過比較耐高溫合金、陶瓷和泡沫玻璃這三種材料的端壁在有無氣膜冷卻時的端壁表面溫度以及冷卻效率分布，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)熱對真實氣膜冷卻特性的影響非常重要;另外本文還以無量綱參數(shù)畢渥數(shù)為變量，首次提出在氣膜孔出口下游用指數(shù)關(guān)系擬合公式ηf=f(Bi）和ηf=f(x，Bi）來描

4、述真實氣膜冷卻效率的思想，并檢驗了擬合公式的合理性。
　　第二部分:渦輪葉柵端壁氣膜冷卻特性及溫度場相似性研究。通過高溫風洞及遠紅外熱像實驗發(fā)現(xiàn)氣膜冷卻端壁表面在某種特定環(huán)境下可以出現(xiàn)溫度場相似性現(xiàn)象;利用經(jīng)過實驗數(shù)據(jù)驗證的數(shù)值策略，模擬再現(xiàn)了這種溫度場相似的現(xiàn)象，并發(fā)現(xiàn)了相似的端壁表面溫度場云圖刻度隨設(shè)定主流溫度和冷氣流溫度變化的線性規(guī)律;理論分析相似性現(xiàn)象的原因，并給出相似性現(xiàn)象的成立條件;首次提出定量描述云圖之間相似性現(xiàn)象的

5、方法，包括相似性的定義、相似性程度以及最大偏差的描述公式;根據(jù)相似性和線性規(guī)律，提出端壁表面溫度分布圖的間接和直接預(yù)測方法，并介紹了如何計算預(yù)測方法的偏差。使用本文提出的預(yù)測方法可以極大的減少實驗和數(shù)值模擬的工作量及費用。
　　第三部分:旋轉(zhuǎn)葉片頂部泄漏流特性研究。針對泄露流實驗研究中使用的三類設(shè)備，通過數(shù)值模擬，比較了這些設(shè)備對應(yīng)的三種運動方式:1）葉片和端壁均為靜止(BSSS);2)葉片靜止而端壁做直線運動(BSSM);3)葉

6、片做旋轉(zhuǎn)運動而端壁靜止(BRSS)，即:真實運動情況。討論了在吹風比為1.5時，不同轉(zhuǎn)速（1000r/min、2500r/min和4000r/min）對頂部間隙流動影響。通過比較葉頂間隙和主流通道的流場發(fā)現(xiàn):(1)BSSS工況下的結(jié)果與BRSS工況的結(jié)果有明顯差異，而采用相對運動方式的BSSM得到的結(jié)果與真實BRSS工況下的結(jié)果偏差較小;(2)BSSS與BRSS方式流場差異的主要原因在于由間隙流與外殼相對速度不同引起的粘性力的不同，因而