相反展向复合角气膜冷却特性及应用研究

摘要

相反展向复合角气膜冷却是新发展的众多气膜冷却结构的一种，其实现方法简单，通过将上游和下游气膜孔相反的展向角布置使气膜射流形成反肾形涡对从而得到很高的冷却效率，适合全气膜涡轮叶片结构，本文以此为研究背景，对相反展向复合角气膜冷却的流动和换热特性开展了数值和实验研究。研究内容主要包含三个方面：1、针对相反展向复合角冷却结构，分析和探讨流动传热特性，揭示其强化冷却效率的物理机制，系统研究气膜孔、主流通道的结构、流动参数对于冷却特性的影响规律。2、对影响阵列相反展向复合角气膜冷却效率的相关因素进行敏感性分析。研究阵列相反展向复合角气膜冷却结构、流动参数对气膜冷却特性的影响。3、采用简化的相反展向复合角气膜冷却涡轮叶片，在发动机真实工况下，研究流动参数和结构参数对叶片的冷却特性以及气动特性的影响，并提出了能兼顾叶片冷却特性与气动特性的相反展向复合角气膜冷却孔布置方法。
　　首先对单排相反展向复合角气膜孔冷却的流场结构与冷却特性进行分析，可知反肾形涡对的形成原因是：前孔漩涡受后孔射流影响形成新的诱导漩涡，诱导涡取代原来的前孔漩涡与后孔漩涡一起组成反肾形涡对，将冷气推向气膜孔中心线的两侧。结构参数与流动参数改变，均可以改变后孔射流对前孔产生的漩涡的影响程度，进而改变反肾形涡对漩涡中心距离与涡心周围流体的旋转速度。反肾形涡对漩涡中心距离增加，涡心周围流体的旋转速度增加有利于增强冷气侧向覆盖，提高冷却效率，但是在下游主流被卷吸的程度会加剧，降低冷却效果。进一步的研究表明，吹风比增加、展向角度增加、流向角度减小、主流雷诺数增加、温比增加、逆压力梯度与凹面均可以增加反肾形涡对漩涡中心距离或提高涡心周围流体的旋转速度。激波的影响相对特殊，激波反射点在前孔与后孔之间冷却效率下降较大。
　　其次对阵列相反展向复合角气膜冷却特性进行分析，阵列相反展向复合角气膜冷却依靠持续的冷气注入来维持反肾形涡对，可以得到很高的冷却效率。通过正交试验得出在试验参数范围内，对平均冷却效率影响程度由高到低依次为：开孔率，吹风比，长宽比，展向角；对平均换热系数影响程度由高到低的因素依次为：吹风比，开孔率，展向角，长宽比。在模拟发动机实际工况下，30°相反展向复合角气膜冷却效率最高。在低雷诺数与高温比的实验工况下，45°相反展向复合角气膜冷却效率最高，并且相同角度下，相反展向复合角气膜冷却效率均高于相同展向复合角。展向角度改变对流量系数影响很小。
　　再次，对采用相反展向复合角气膜冷却的涡轮叶片冷却特性进行分析，在发动机实际工况下考虑叶片气膜孔局部平均气膜冷却效率时，对于相反展向复合角气膜孔叶片（OSA叶片），OSA叶片的气膜冷却效率大于相同展向复合角气膜孔叶片（SSA叶片），并且OSA气膜孔比SSA气膜孔更适合大展向孔距的结构。当气膜开孔靠近尾缘时，OSA叶片的能量损失系数略小于SSA叶片。相同吹风比下，当地雷诺数较高的位置局部平均气膜冷却效率也较高，对于本文研究的叶片模型在吸力面的激波反射点位置不适合开设气膜孔，叶片通道喉部区域适合较低展向角度的气膜孔。气膜孔位置一定的情况下，吹风比增加，展向角度要减小气膜冷却效率才会出现较高值；吹风比降低，展向角度要增加气膜冷却效率才会出现较高值。吹风比一定的条件下，展向间距增加的同时展向角度增加冷却效率会出现较高值。进口雷诺数从0.1Res升至0.4Res，冷却效果明显升高，气动损失明显下降。

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注释表

第一章 绪论

1.1研究背景

1.2国内外研究的技术现状分析

1.3本文研究内容

第二章 相反展向复合角气膜冷却特性研究

2.1数值计算方法

2.2相反展向复合角气膜冷却效率与常规气膜冷却效率对比

2.3 OSA气膜冷却吹风比对冷却特性影响

2.4 OSA气膜冷却主流雷诺数对冷却特性的影响

2.5 OSA气膜冷却温比对冷却特性的影响

2.6 OSA气膜冷却展向角度对冷却特性的影响

2.7 OSA气膜冷却流向角度对冷却特性的影响

2.8相对表面曲率对OSA气膜冷却特性的影响

2.9压力梯度对OSA气膜冷却特性的影响

2.10激波对OSA气膜冷却特性的影响

2.11小结

第三章 阵列相反展向复合角气膜冷却特性研究

3.1阵列相反展向复合角气膜冷却特性影响因素研究

3.2相反展向复合角与相同展向复合角阵列气膜冷却效率对比研究

3.3相反展向复合角阵列气膜冷却特性实验研究

3.4小结

第四章 相反展向复合角气膜冷却叶片冷却特性研究

4.1相反展向复合角气膜冷却叶片模型与网格

4.2叶片局部平均气膜冷却效率

4.3叶片沿程展向平均气膜冷却效率

4.4主流雷诺数对OSA叶片冷却特性的影响

4.5展向角度优化的OSA叶片气动性能与冷却特性

4.6小结

第五章 总结和展望

5.1本文研究结论

5.2本文创新点

5.3进一步研究工作展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文