【摘要】：渦輪葉片蜿蜒通道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對于高效利用冷氣、強(qiáng)化葉片冷卻效果和提高渦輪進(jìn)口燃?xì)鉁囟冗M(jìn)而提高發(fā)動機(jī)效率具有重要的意義。本文以靜葉中典型的U型蜿蜒通道為研究對象,設(shè)計(jì)了一系列異型導(dǎo)流片結(jié)構(gòu)并通過數(shù)值和試驗(yàn)的方法研究其在通道內(nèi)部的整流減阻效果和強(qiáng)化換熱特性;并提取各減阻構(gòu)件的敏感參數(shù),完成了其組合影響規(guī)律的研究。本文首先介紹了數(shù)值計(jì)算方法和采用瞬態(tài)液晶的試驗(yàn)測量方法,并對其準(zhǔn)確性分別進(jìn)行了驗(yàn)證。對不同雷諾數(shù)下(Re=30000,40000,50000,60000)帶有不同周向長度的7種異型導(dǎo)流片U型通道及簡單光滑通道的流動和換熱特性進(jìn)行數(shù)值研究,對Re=30000下典型結(jié)構(gòu)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。研究中發(fā)現(xiàn):導(dǎo)流片能夠顯著降低過彎流體對通道外壁面的碰撞損失,有效控制過彎分離渦的大小,改變彎道二次流結(jié)構(gòu)以減小通道壓損;強(qiáng)化彎道處的換熱能力,改善彎道出口處換熱分布的不均勻性。對于90°、135°、180°三種周向角度的導(dǎo)流片通道,增大角度有利于發(fā)揮導(dǎo)流片的整流效果,降低通道阻力系數(shù)比,同時(shí)彎道處強(qiáng)化換熱效果更加平均。導(dǎo)流片尾部延伸段結(jié)構(gòu)可以進(jìn)一步限制過彎分離渦的發(fā)展,從而顯著降低壓損;在4種延伸段長度(P/d=0.1,0.25,0.5,1)方案中,隨著長度增大,通道阻力系數(shù)比先減小后增大,綜合熱性能的變化則完全相反。研究結(jié)果表明,相比于簡單光滑通道,帶導(dǎo)流片通道的阻力系數(shù)比最大減小約60%,綜合熱性能最多能提高26%。對于本研究中的8種U型通道,雷諾數(shù)對其流場結(jié)構(gòu)和換熱分布趨勢幾乎沒有影響,僅阻力系數(shù)比均隨著雷諾數(shù)增大而增大,而綜合熱性能隨著雷諾數(shù)增大而減小。在此基礎(chǔ)上,本文針對三種隔板厚度(T/d=0.2,0.5,1)、兩種回流彎頭(圓形彎頭和方形彎頭)及三種導(dǎo)流片徑向距離(W_r/W=0.2,0.33,0.5)的多種交叉組合模式開展了數(shù)值研究。計(jì)算結(jié)果表明:增大隔板厚度可以抑制過彎流動分離,減小壓損,但整體換熱性能也有所下降。對于兩種彎頭結(jié)構(gòu),當(dāng)隔板較薄時(shí),方形彎頭的阻力系數(shù)比略高于圓形彎頭;隨著隔板地加厚,二者的差值越來越大,最大約8%。導(dǎo)流片徑向距離對阻力系數(shù)比的影響與隔·板厚度有關(guān),當(dāng)隔板較薄時(shí),徑向距離偏小的導(dǎo)流片減阻效果較好,當(dāng)隔板較厚時(shí)則相反。
【學(xué)位授予單位】：南京航空航天大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：V231;TK124
【圖文】：

空發(fā)動機(jī)燃?xì)鉁u輪的總體效率，渦輪進(jìn)口燃?xì)鉁囟戎鹉晏岙a(chǎn)生了巨大的熱負(fù)荷，不僅對飛行可靠性帶來了不利的影命。除了繼續(xù)尋找和開發(fā)耐高溫葉片材料之外，更多的研前葉片冷卻方法主要有氣膜冷卻、沖擊冷卻、蜿蜒通道冷圍內(nèi)工作�？吹剑瑴u輪葉片前緣部分主要采用氣膜冷卻方式，通過處通過冷卻孔出流，在葉片外部形成一層“保護(hù)膜”，來達(dá)到冷卻效果。渦輪葉片尾緣通道中，通過設(shè)置擾流柱來片的內(nèi)部空腔中，氣流經(jīng)過由多個(gè) 180°彎道組成的蜿蜒通量，并從葉尖排出。早期的葉片冷卻手段多是在葉片空腔動換熱理論的日趨成熟和燃?xì)鉁囟鹊纳�，單�?dú)的直通道卻的要求，所以這種蜿蜒通道的冷卻方式就應(yīng)運(yùn)而生。這避免開設(shè)多個(gè)進(jìn)氣口，又能增大冷氣與固體壁面的接觸面

[12]在研究不同AR下U型通道換熱特點(diǎn)中，通過偏移隔板來實(shí)現(xiàn)變截面流動（如圖1.2），使用萘升華法觀測壁面換熱能力。得到如下結(jié)論：改變AR對于漸擴(kuò)和平直通道只影響彎道處和彎道后區(qū)域的換熱效果，而對于漸縮通道道則影響全部區(qū)域；端壁附近的最大換熱水平隨著AR增大在尺度和強(qiáng)度上均有所衰退，平直和漸擴(kuò)通道中彎道后外壁面附近的最小換熱水平在尺度和強(qiáng)度上都會變大；壁面平均換熱水平與AR的變化趨勢相反，壓損系數(shù)

Kumar[19]使用大渦模擬對帶有間斷和完整的V型肋的U型通道（如圖1.3）進(jìn)行換熱研究，發(fā)現(xiàn)間斷的V型肋片可以產(chǎn)生更強(qiáng)烈的漩渦，這一系列渦的對流可以使分離剪切層更好的發(fā)展，提高再附著區(qū)域的換熱水平，強(qiáng)化換熱效果較完整V型肋更顯著。Liou[20]使用PIV和紅外熱像儀

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本文編號：2785844