涡轮叶片双篦齿叶冠流动换热研究

摘要

涡轮叶片叶尖间隙泄漏流严重影响发动机性能，因此对泄漏流进行有效控制十分重要。叶片带冠结构能够有效的抑制叶尖间隙泄漏流，并能减轻叶片在工作过程中的振动，由于其良好的气动和振动特性因而在涡轮设计中得到了广泛应用。本文以航空发动机涡轮叶片双篦齿叶冠间隙泄漏控制技术和冷却技术为研究背景，研究双篦齿叶冠间隙流动机理，间隙高度和进口流动参数对双篦齿叶冠流动换热的影响规律。
　　首先对无射流条件下双篦齿叶冠区域的流动与换热进行了数值研究，研究的内容包括无射流时双篦齿叶冠流场结构、叶栅出口总压损失系数以及叶冠表面换热系数分布。详细研究了不同的间隙高度、进口参数对双篦齿叶冠流动换热的影响规律。研究结果表明，叶冠区域由于泄漏流动会形成流动分离涡、泄漏涡、泄漏诱导涡。处于涡核心附近的叶冠表面，如叶冠端区附近及叶冠容腔表面下游区域换热系数较高。随着压比增大，泄漏系数先逐渐增大后保持不变，总压损失系数增大，叶冠表面换热系数增大；随着间隙增大，泄漏系数增大，总压损失系数增大，换热系数增大；冲角对换热系数的影响较小，随着冲角由负转正逐渐增大，总压损失系数逐渐减小。
　　其次对有射流条件下双篦齿叶冠区域的流动与换热进行了数值研究，详细研究了间隙高度、进口参数和吹风比对双篦齿叶冠区域流动换热的影响规律。研究结果表明，有射流条件下双篦齿叶冠流场结构与无射流时的流场结构类似，泄漏系数与总压损失系数随叶栅入口条件的变化规律也与无射流条件下类似；有冷却射流时，射流受到叶冠容腔内泄漏涡的影响，气膜覆盖区域集中在叶冠容腔的上游表面。入口条件不变时，随着冷却射流吹风比增大，泄漏流量减少，泄漏系数降低，但吹风比增大时，总压损失系数也增大；随着吹风比增加，叶冠容腔表面气膜冷效增大。
　　最后对叶冠模型结构的流动换热特性开展实验研究与数值模拟，详细研究无射流条件下泄漏流雷诺数和间隙高度对叶冠容腔表面努赛尔数的影响规律，有射流条件下雷诺数、吹风比和间隙高度对叶冠篦齿间隙的流量系数、叶冠容腔表面气膜冷却效率的影响规律。研究结果表明，数值研究的结果和实验研究的规律一致，雷诺数对叶冠模型结构的流量系数的影响不明显；随着间隙高度的增加，流量系数增大；随着吹风比的增加，流量系数减小。随着雷诺数增大，冷却射流对于叶冠表面的冷却作用增强，气膜冷效增大；随着吹风比增加，冷却射流流量增大，叶冠容腔内流体温度下降，气膜冷却效率增大。随雷诺数增加，叶冠容腔表面平均努赛尔数增大，随间隙高度增大，平均努赛尔数也增大。

目录

声明

注释表

第一章 绪论

1.1研究背景及意义

1.2国内外研究进展

1.3本文主要研究内容

第二章 双篦齿叶冠流动换热数值计算方法

2.1模型建立与简化

2.2数值计算方法

2.3参数定义

2.4小结

第三章 无射流条件下双篦齿叶冠流动换热数值研究

3.1双篦齿叶冠叶栅流动换热机理研究

3.2压力和间隙高度对无射流叶冠流动与换热的影响

3.3冲角对无射流叶冠流动与换热的影响

3.4小结

第四章 有射流条件下双篦齿叶冠流动换热数值研究

4.1冷却射流对双篦齿叶冠流动与换热的影响机理

4.1.1有射流条件下双篦齿叶冠流场结构

4.2压力和间隙高度对有射流双篦齿叶冠流动与换热的影响

4.3吹风比对有射流双篦齿叶冠流动与换热的影响

4.4冲角对有射流叶冠流动换热的影响

4.5小结

第五章 叶冠模型结构流动换热实验研究与数值模拟

5.1实验件和实验系统

5.2数值计算方法

5.3流量系数研究

5.4气膜冷效研究

5.5换热系数研究

5.6小结

第六章 总结与展望

6.1本文总结

6.2下一步工作展望

参考文献

致谢

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