高溫燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)葉片的沖擊冷卻與氣膜冷卻的數(shù)值研究.pdf

1、隨著燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)在航空飛行器的動(dòng)力系統(tǒng)、海上輪船的推進(jìn)系統(tǒng)以及陸地電廠的發(fā)電系統(tǒng)中應(yīng)用越來(lái)越廣泛，提高燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)效率變得更加重要。根據(jù)燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)工作的Brayton循環(huán)原理可知，發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率和輸出功率隨著發(fā)動(dòng)機(jī)葉片入口溫度的增高而增加。當(dāng)前的F119-PW-100透平風(fēng)扇發(fā)動(dòng)定子前緣溫度已達(dá)到1600℃，而為了滿足研制更加先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)的需求，需要葉片入口溫度達(dá)到約2200℃，這個(gè)溫度遠(yuǎn)高于葉片的金屬材料熔點(diǎn)。因此，為了讓葉片在高溫下持續(xù)可

2、靠工作，需要使用新的耐熱材料和引進(jìn)先進(jìn)葉片冷卻技術(shù)。然而，相比于研制新的材料或者工藝，采用先進(jìn)的冷卻技術(shù)所帶來(lái)的葉片入口溫度的增加更為顯著。而沖擊冷卻和氣膜冷又是先進(jìn)冷卻技術(shù)中最為重要的兩種方法，值得更多關(guān)注。本文將使用數(shù)值模擬計(jì)算分別討論用于高溫燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)葉片內(nèi)部層板結(jié)構(gòu)的沖擊氣膜冷卻和葉片外部的氣膜冷卻的流動(dòng)與特性。內(nèi)容主要包含:
　　 第一部分：層板結(jié)構(gòu)的沖擊氣膜冷卻
　　 這部分分析了應(yīng)用于葉片冷卻的多孔層板結(jié)構(gòu)

3、的沖擊氣膜冷卻技術(shù)。進(jìn)行數(shù)值分析時(shí)，先需要對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行驗(yàn)證。驗(yàn)證過(guò)程是通過(guò)將用不同模型計(jì)算得到的速度場(chǎng)與相同條件下PIV測(cè)量的速度場(chǎng)相對(duì)比。結(jié)果顯示，以Shear StressTransport k-ω(SST k-ω)湍流模型計(jì)算得到的速度場(chǎng)與實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)最為接近。同時(shí)，使用熱像儀測(cè)量高溫條件下層板表面的溫度檢測(cè)了SSTk-ω模型計(jì)算層板傳熱的精度，結(jié)果滿足計(jì)算要求。因此，SSTk-ω湍流模型將用于層板冷卻研究。在模型選取后，使用流

4、固耦合傳熱計(jì)算方法，討論沖擊孔、擾繞流柱、氣膜孔的數(shù)目比、流柱排列方式以及氣膜孔的傾斜角度對(duì)多孔層板的冷卻效率和阻力損失的影響。然后使用單向耦合計(jì)算方法，（即假設(shè)由于熱應(yīng)力引起的結(jié)構(gòu)變形不會(huì)影響層板上的溫度分布以及層板內(nèi)部和外部流場(chǎng)）將由CFD計(jì)算得到的層板溫度作為體載荷，開(kāi)始層板結(jié)構(gòu)上的熱應(yīng)力分析。在完成應(yīng)力計(jì)算后，使用Goodman-diagram方法進(jìn)行層板安全校核。最后，結(jié)合正交試驗(yàn)方法和數(shù)值計(jì)算，討論氣膜孔角度、擾流柱直徑、擾

5、流柱排列方式、擾流柱高度以及氣流吹風(fēng)比的改變對(duì)層板的冷卻效率以及阻力損失的影響趨勢(shì)以及影響權(quán)重，為優(yōu)化層板結(jié)構(gòu)提供參考。
　　 第二部分：跨音速轉(zhuǎn)子氣膜冷卻
　　 在這一部分里，選取Pratt&Whitney公司研制的單級(jí)高性能發(fā)動(dòng)機(jī)葉片來(lái)分析在葉片正常運(yùn)行工況下發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)定子和轉(zhuǎn)子的相互作用對(duì)轉(zhuǎn)子上的壓力與氣膜冷卻特性的影響。因?yàn)槿~片通道與層板結(jié)構(gòu)內(nèi)的流動(dòng)特征顯著不同，因此湍流模型需要重新驗(yàn)證。由于缺少實(shí)際工況下該葉片上

6、的溫度與壓力測(cè)量數(shù)據(jù)，這里選取實(shí)驗(yàn)測(cè)量到的葉片定子和轉(zhuǎn)子葉柵通道中定子和轉(zhuǎn)子上的壓力分布以及一個(gè)縮擴(kuò)型噴管上的壁面上的壓力分布作為參考，并與使用不同湍流模型得到的壓力值進(jìn)行對(duì)比。比較發(fā)現(xiàn)，由Realizable k-ε湍流模型計(jì)算得到的結(jié)果最接近實(shí)驗(yàn)值，因此，將Realizable k-ε模型作為研究跨音速葉片通道內(nèi)流動(dòng)和傳熱分析的模型。研究?jī)?nèi)容:首先使用該模型分析由轉(zhuǎn)子尾槽注入冷卻氣冷卻以及定子上氣膜孔冷卻的特性。然后，以2D模型分析