發(fā)布時間：2021-01-04 06:05

　　提高渦輪前溫度是提高航空發(fā)動機整機熱效率和推重比的重要途徑,然而由此導致的渦輪壽命縮減問題十分突出,氣膜冷卻作為保護金屬壁面的重要技術(shù),在航空發(fā)動機、燃氣輪機的技術(shù)發(fā)展歷程中發(fā)揮著不可替代的作用。近年來,高壓渦輪端區(qū)氣膜冷卻的研究受到眾多學者的關(guān)注,其主要原因有兩點:渦輪前溫度不斷提高導致端壁近壁燃氣溫度升高,端壁附近金屬壁面的承溫能力極具挑戰(zhàn);（超）低展弦比渦輪氣動設(shè)計方法的推廣使用,不僅使得端區(qū)的二次流效應增強,同時,伴隨著葉片數(shù)量的減少,端區(qū)壁面面積占比日益增加。然而,與葉身冷卻不同,受端區(qū)附近強二次流效應的影響,端區(qū)氣膜冷卻的冷氣出流將具有復雜的三維流動特性。為高效利用冷氣,優(yōu)化端區(qū)冷卻布局,提高端區(qū)氣膜冷卻有效性,本文采用高精度三維數(shù)值模擬和實驗相結(jié)合的研究方法,研究了高壓渦輪導向器端區(qū)氣膜冷卻的特性。本文主要的工作內(nèi)容和相關(guān)結(jié)論如下:（1）挖掘新型冷卻結(jié)構(gòu)——離散縫,提出離散縫+氣膜孔組合冷卻構(gòu)型。離散縫設(shè)計目的是優(yōu)化上游端區(qū)縫出口冷氣出流分布規(guī)律,集中冷氣以冷卻葉片前緣、葉片根部壓力面等特定的區(qū)域。首先采用RANS數(shù)值模擬方法,聚焦該葉型端區(qū)的二次流特征,分析冷氣射流和端... 

【文章來源】：中國科學院大學(中國科學院工程熱物理研究所)北京市

【文章頁數(shù)】：185 頁

【學位級別】：博士

【部分圖文】：

航空發(fā)動機總壓比發(fā)展趨勢[1]

圖1.1航空發(fā)動機總壓比發(fā)展趨勢[1]目前,航空發(fā)動機渦輪前溫度提高的方法主要有三種調(diào)控手段:(1)先進復雜高效的冷卻方式,精細化組織冷卻氣流;(2)先進耐高溫葉片材料的開發(fā);(3)先進的熱障涂層技術(shù)。冷卻技術(shù)的發(fā)展要遠快于材料耐溫能力的提升,統(tǒng)計表明渦輪入口溫度的提高,70%得益于冷卻技術(shù)的發(fā)展。由冷卻技術(shù)帶來的渦輪前溫度能夠?qū)崿F(xiàn)10K/年的增長,而由材料技術(shù)的進步只能實現(xiàn)3K/年的渦輪前溫度增長。冷卻技術(shù)作為航空發(fā)動機的關(guān)鍵技術(shù)之一,并隨著推重比和熱效率的提高變得越來越重要,但在公開發(fā)表的文獻中很難找到實用的實驗數(shù)據(jù)。研究表明,若金屬溫度預測偏差超過10℃,葉片的壽命就可能減半[2]。冷卻與傳熱類實驗的經(jīng)驗關(guān)聯(lián)性強,需要積累大量的實驗數(shù)據(jù)形成經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式和設(shè)計技術(shù)規(guī)范,但是實驗研究存在研究成本高和實驗周期長的缺點。

我國航空發(fā)動機起步并不算晚,但在發(fā)展過程中逐步落后,與歐美等西方國家的差距甚至有加大之勢,圖1.3給出了我國發(fā)動機的發(fā)展和美俄等航空發(fā)動機強國的差距[3]。目前,我們國家成熟的發(fā)動機型號WS10推重比在8左右,相當于美國的F100,比美國落后近30年。我們國家航空發(fā)動機與先進發(fā)達國家相比還處于落后水平,主要原因之一就是受渦輪等高溫部件設(shè)計水平和研制能力的限制。因此,必須大量開展渦輪部件相關(guān)的實驗研究和數(shù)值模擬工作,積累豐富的傳熱類實驗數(shù)據(jù)庫,為我國先進航空發(fā)動機的發(fā)展奠定堅實的基礎(chǔ)。1.2 冷卻技術(shù)的引入及發(fā)展

【參考文獻】：
期刊論文
[1]壓力面氣膜冷卻射流端壁效應研究[J]. 張揚,張振,袁新.  工程熱物理學報. 2018(03)
[2]燃氣輪機透平葉片傳熱和冷卻研究:端壁冷卻[J]. 楊星,劉釗,豐鎮(zhèn)平.  熱力透平. 2014(02)
[3]非軸對稱端壁技術(shù)的應用及發(fā)展[J]. 曾軍,唐洪飛.  航空科學技術(shù). 2012(03)
[4]壓力敏感涂料的標定及在氣膜冷卻效率測量中的應用[J]. 張超,王湛,周嗣京,劉建軍.  航空動力學報. 2011(12)
[5]基于瞬態(tài)液晶測量技術(shù)的收縮-擴張形孔氣膜冷卻特性[J]. 劉存良,朱惠人,白江濤,許都純.  航空學報. 2009(05)
[6]液晶瞬態(tài)技術(shù)測量帶側(cè)向流擾流柱通道端壁換熱[J]. 朱惠人,郭濤,張麗,許都純.  推進技術(shù). 2007(06)
[7]液晶測溫法對平板氣膜冷卻的實驗研究[J]. 徐國強,田寧,陶智,丁水汀,羅翔,鄧宏武.  航空動力學報. 2007(05)
[8]熱色液晶瞬態(tài)測量全表面換熱系數(shù)的技術(shù)研究[J]. 郭濤,朱惠人,許都純,白江濤.  測控技術(shù). 2006(09)

博士論文
[1]透平葉片氣膜冷卻及冷氣摻混損失研究[D]. 林曉春.中國科學院大學(中國科學院工程熱物理研究所) 2018
[2]氣膜冷卻各向異性湍流場中流動傳熱的相互作用機理研究[D]. 李雪英.清華大學 2013
[3]航空發(fā)動機氣冷渦輪葉片的氣熱耦合數(shù)值模擬研究[D]. 董平.哈爾濱工業(yè)大學 2009

碩士論文
[1]航空發(fā)動機核心機技術(shù)及發(fā)動機發(fā)展型譜研究[D]. 周人治.電子科技大學 2007
[2]液晶測溫技術(shù)及其在脈沖射流沖擊換熱中的應用研究[D]. 李發(fā)軍.北京工業(yè)大學 2000



本文編號：2956289