航空燃氣輪機為航空飛機直接提供動力,其性能的優(yōu)劣反映了航空工業(yè)發(fā)展的先進水平。作為燃氣輪機的三大核心部件之一,渦輪的表現(xiàn)直接影響了整機的性能。隨著人們對燃氣輪機整機效率和推重比等性能指標的追求不斷提高,渦輪部件的熱負荷也不斷增加,這就對葉片材料提出了嚴峻的挑戰(zhàn)。為了保證渦輪葉片的安全性和可靠性,必須發(fā)展高效的渦輪冷卻技術。本文對某型燃氣輪機高壓渦輪第一級導葉進行了冷卻結構的設計,研究的導葉為直葉片,由真實導葉的中徑處葉型拉伸而成,根據(jù)該導葉的工作環(huán)境,設計了不同形式的冷卻結構并進行氣熱耦合計算,對計算結果進行流動和傳熱的分析。在設計中,充分考慮了導葉工作的高溫環(huán)境和冷氣流量的合理分配。為了達到更高的冷卻效率和氣動效率,導葉采用雙層壁結構,冷卻結構的設計中采用了氣膜冷卻、沖擊冷卻和繞流柱強化冷卻的組合冷卻方式。本文對導葉前緣氣膜冷卻結構進行了研究,計算結果表明當前緣區(qū)域順列布置徑向氣膜孔且射流角度為45°指向葉頂時,冷卻效果最好;當前緣氣膜孔錯列布置時,冷卻效率明顯下降。本文對導葉弦長中部氣膜冷卻結構進行了研究,計算結果表明壓力側布置有氣膜縫套筒而吸力側氣膜縫無氣膜縫套筒時冷卻效果最好,... 

【文章來源】：哈爾濱工業(yè)大學黑龍江省 211工程院校 985工程院校

【文章頁數(shù)】：78 頁

【學位級別】：碩士

【部分圖文】：

三種典型的燃氣輪機[1-3]

和渦輪冷卻技術進一步發(fā)展，美國生產(chǎn)的航空發(fā)動機渦輪的入口最高溫度達到了2012K。由于燃氣輪機和航空發(fā)動機行業(yè)的特殊性，目前各國一直在努力探索燃氣輪機和航空發(fā)動機先進技術，英美等發(fā)達國家都提出了發(fā)展新一代航空發(fā)動機的計劃，指出要發(fā)展更加高效的渦輪冷卻結構。英國于 20 世紀末提出了“ACME”研究計劃，提出要在 2020 年前后將發(fā)動機的推重比提升至 20，同時提升渦輪的燃氣入口溫度至 2400K 以上。與此同時，美國也制定了“IHPTET”計劃[8]，要求在現(xiàn)階段的基礎上，使得渦輪的燃氣入口溫度再增加 500K，同時降低冷氣的用量至原來的0.4 倍，渦輪重量減輕至原來的一半。研究發(fā)現(xiàn)，目前冷卻效率最高的冷卻結構是對流加氣膜冷卻，并且在部件表面涂上熱障涂層，由于這種冷卻結構較復雜且成本高，所以目前僅應用在燃氣初溫較高的渦輪導葉和動葉中。在燃氣輪機領域，由于發(fā)展較晚且國際上相關技術封鎖，我國一直處于落后的地位。影響燃氣輪機和航空發(fā)動機性能的因素有很多，其中熱端部件的設計和防護顯得尤為重要，可以預見，未來燃氣輪機和航空發(fā)動機的發(fā)展也離不開高效的冷卻結構設計，本文就是在這種背景下進行研究的。

和渦輪冷卻技術進一步發(fā)展，美國生產(chǎn)的航空發(fā)動機渦輪的入口最高溫度達到了2012K。由于燃氣輪機和航空發(fā)動機行業(yè)的特殊性，目前各國一直在努力探索燃氣輪機和航空發(fā)動機先進技術，英美等發(fā)達國家都提出了發(fā)展新一代航空發(fā)動機的計劃，指出要發(fā)展更加高效的渦輪冷卻結構。英國于 20 世紀末提出了“ACME”研究計劃，提出要在 2020 年前后將發(fā)動機的推重比提升至 20，同時提升渦輪的燃氣入口溫度至 2400K 以上。與此同時，美國也制定了“IHPTET”計劃[8]，要求在現(xiàn)階段的基礎上，使得渦輪的燃氣入口溫度再增加 500K，同時降低冷氣的用量至原來的0.4 倍，渦輪重量減輕至原來的一半。研究發(fā)現(xiàn)，目前冷卻效率最高的冷卻結構是對流加氣膜冷卻，并且在部件表面涂上熱障涂層，由于這種冷卻結構較復雜且成本高，所以目前僅應用在燃氣初溫較高的渦輪導葉和動葉中。在燃氣輪機領域，由于發(fā)展較晚且國際上相關技術封鎖，我國一直處于落后的地位。影響燃氣輪機和航空發(fā)動機性能的因素有很多，其中熱端部件的設計和防護顯得尤為重要，可以預見，未來燃氣輪機和航空發(fā)動機的發(fā)展也離不開高效的冷卻結構設計，本文就是在這種背景下進行研究的。

【參考文獻】：
期刊論文
[1]姊妹孔平板氣膜冷卻效率的數(shù)值模擬[J]. 張玲,郭瑞紅,郭達飛,李浩.  動力工程學報. 2014(09)
[2]表面粗糙影響平板氣膜冷卻換熱效果的數(shù)值研究[J]. 王建飛,吉雍彬,臧述升.  熱能動力工程. 2014(03)
[3]燃機葉片平行肋擾流內(nèi)冷通道傳熱特性研究Part2:耦合傳熱特性[J]. 遲重然,任靜,蔣洪德.  工程熱物理學報. 2014(01)
[4]冷卻孔復合角和排列方式綜合作用對平板氣膜冷卻效果的影響[J]. 陳偉,董若凌,施紅輝,張曉東,沈偉杰.  浙江理工大學學報. 2013(04)
[5]渦輪冷卻葉片氣動與傳熱設計優(yōu)化[J]. 虞跨海,岳珠峰,楊茜.  計算力學學報. 2010(02)
[6]航空發(fā)動機渦輪葉片的多學科設計優(yōu)化[J]. 吳立強,尹澤勇,蔡顯新.  航空動力學報. 2005(05)

碩士論文
[1]沖擊冷卻流動與換熱特性的數(shù)值模擬研究[D]. 陳昌將.哈爾濱工程大學 2012
[2]某燃氣渦輪高壓級葉柵冷卻結構設計及氣熱耦合數(shù)值模擬[D]. 許宏博.哈爾濱工業(yè)大學 2010



本文編號：3448394