涡轮叶栅尾缘强化冷却方法的数值研究

摘要

随着航空工业的迅猛发展，对涡轮的性能也提出了更高的要求，而提高涡轮性能的有效途径是提高涡轮的进口燃气温度。涡轮进口燃气温度不断提高，燃气温度已经超过了叶片材料的承受能力，因此采用先进的冷却技术，降低涡轮叶片的温度，是当前各国研究的重点。如何设计高温叶片冷却结构以提高冷却效果，是目前航空涡轮叶片设计者与制造者不断追求的目标。而涡轮叶片尾缘冷却的研究是十分重要的部分，本文的主要工作就是对涡轮叶片尾缘的冷却进行数值研究。本文对涡轮叶片尾缘具有强化冷却效果的一些可行性方案进行了数值模拟分析：设计了尾缘开缝，加圆形、方形和菱形扰流柱以及半扰流柱等，同时设计了不同冷气进口方式和冷却流量变化的方案，然后应用CFX计算程序对各种方案进行了气热耦合的数值模拟。文中对计算结果进行了处理，对方案的温度场、流场、压力、换热系数进行了详细地描述和分析。本文通过分析对比，得到了不同的冷却方案对涡轮叶片尾缘冷却效果的影响。对于有、无扰流柱、不同冷气进口方式和冷却流量的变化等方案进行了对比计算，对其流道和叶片的温度分布特点和流场结构进行了细致的分析。还重点研究了不同形状的扰流柱及半柱冷却等方案对冷却效果产生的影响，对圆形、方形和菱形扰流柱的流场结构、冷却效率、压力损失系数和换热系数进行了分析对比；对两种半扰流柱和圆形扰流柱的冷却效率、压力损失系数和换热系数进行了分析对比。

目录

摘要

Abstract

第1章 绪论

1.1 引言

1.2 气热耦合的研究概述

1.2.1 气热耦合问题的发展历史

1.2.2 气热耦合问题的国内外发展现状

1.2.3 气热耦合计算的重要性

1.2.4 气热耦合计算的研究成果

1.3 涡轮冷却技术的研究及理论发展

1.3.1 涡轮叶片的冷却方式

1.3.2 涡轮叶片的尾缘冷却

1.3.3 尾缘扰流柱冷却的研究

1.4 本论文工作的目的和主要内容

第2章 数值计算方法

2.1 引言

2.2 控制方程

2.3 湍流模型

2.3.1 湍流的数值模拟方法

2.3.2 涡粘系数法湍流模型

2.3.3 Reynolds应力法湍流模型

2.3.4 壁面函数

2.4 涡轮叶栅冷气掺混的数值计算方法

2.5 气冷涡轮气热耦合计算

2.5.1 气热耦合中的固体边界条件

2.5.2 叶片与流体之间的热传导

2.6 数值计算的误差分析

2.7 计算软件简介

2.8 本章小结

第3章 涡轮叶片尾缘冷却的数值模拟

3.1 引言

3.2 叶片几何结构

3.3 网格结构划分

3.4 计算方案

3.4.1 初始及边界条件

3.4.2 计算过程

3.5 计算结果的分析

3.5.1 温度分布

3.5.2 流场分布

3.5.3 压力分布

3.5.4 换热系数

3.6 本章小结

第4章 尾缘不同冷却方案的分析对比

4.1 引言

4.2 有无扰流柱对冷却效果的影响

4.2.1 温度分布

4.2.2 流场分布

4.3 不同冷气进口方式对冷却效果的影响

4.4 冷却流量变化对冷却效果的影响

4.4.1 温度分布

4.4.2 流场分布

4.5 扰流柱的形状对冷却效果的影响

4.5.1 流场分布

4.5.2 压力分布

4.5.3 冷却效率

4.5.4 压力损失系数

4.5.5 换热系数

4.6 半柱配置对冷却效果的影响

4.6.1 冷却效率

4.6.2 压力损失系数

4.6.3 换热系数

4.7 本章小结

结论

参考文献

致谢