渦輪葉片內(nèi)冷通道的流動傳熱特性分析及優(yōu)化設(shè)計

1、摘要摘要提高渦輪進口燃氣溫度是提高航空發(fā)動機循環(huán)效率和推重比的重要措施，而渦輪葉片高效內(nèi)部冷卻技術(shù)是這一措施得以實施的先決條件之一。內(nèi)部冷卻結(jié)構(gòu)在有效降低葉片溫度的同時也削弱了葉片的強度和剛度；因此，如何通過合理的設(shè)計，平衡葉片的熱學(xué)和力學(xué)性能是亟待解決的問題。本文以NASAC3X渦輪導(dǎo)向葉片為研究對象，通過數(shù)值模擬探究了擾流柱對內(nèi)冷通道流動和傳熱特性的影響，以改善散熱性能；在驗證數(shù)值模型的基礎(chǔ)上，對二維Bezier樣條曲線冷卻通道以及

2、三維C3X圓形冷卻通道的位置與大小開展優(yōu)化設(shè)計，以同步改善葉片內(nèi)的溫度和熱應(yīng)力分布。本文得出的主要結(jié)論如下：首先，深入探究了不同雷諾數(shù)下順排擾流柱節(jié)距與上游擾流柱形狀對內(nèi)冷通道中流動的影響。數(shù)值結(jié)果表明，擾流柱下游的漩渦脫落特性隨著相對節(jié)距（LD）的增大而發(fā)生三個階段的變化：當(dāng)LD3.6時，所有柱體后均發(fā)生明顯的渦脫落現(xiàn)象。此外，橢圓形擾流柱通道的壓降最小，而正方形擾流柱通道的壓降最大，壓降隨著雷諾數(shù)的增加而增大。其次，分析了球凸高度對

3、橢圓形擾流柱通道對流傳熱特性的影響。數(shù)值結(jié)果表明，在給定雷諾數(shù)條件下，引入球凸雖然可以改善通道的散熱性能，但也顯著增大了壓降；通過對不同高度球凸通道的數(shù)值研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)球凸高度與其直徑之比為0.4時通道的綜合換熱性能最好，且明顯優(yōu)于僅有橢圓形擾流柱的通道。最后，分析了C3X葉片的耦合傳熱特性。通過將數(shù)值模擬所得葉片中截面型線上的溫度和壓力分布與NASA實驗數(shù)據(jù)對比，發(fā)現(xiàn)SSTkω湍流模型的計算精度最高，繼而借此系統(tǒng)探究了葉片內(nèi)部和外部的流

4、動傳熱特性。隨后，以葉片平均溫度和最高溫度為目標(biāo)函數(shù)，分別對二維和三維葉片結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計。優(yōu)化結(jié)果表明，Bezier曲線冷卻孔能夠顯著降低葉片尾緣及主體部分高溫區(qū)的面積，但同時使葉片熱應(yīng)力增大；相比之下，圓形冷卻孔有助于減小熱應(yīng)力，但受其形狀限制，不能充分冷卻葉片高溫部分；所有優(yōu)化后獲得的冷卻構(gòu)型均能有效降低葉片溫度，并將葉片應(yīng)力控制在材料的許用應(yīng)力范圍之內(nèi)。本論文工作受國家自然科學(xué)基金項目（51676163）和陜西省科技新星人才項目

5、（2015KJXX12）的資助。關(guān)鍵詞：渦輪葉片，內(nèi)冷通道，對流傳熱強化，熱應(yīng)力，優(yōu)化設(shè)計IABSTRACTABSTRACTTofurtherimprovethermalefficiencythrustweightratioofaeroengineshighergastemperatureattheinletofthebladecadesisdesirable.Crespondinglyhighperfmanceinternalcool

6、ingtechniqueshavetobedevelopedtopreventbladematerialfromoverheating.Giventhattheintroductionofinternalchannelsreducesbladetemperaturedeteriatesstrengthstiffnessofthebladeconcurrentlybalancingthermalmechanicalpropertiesof

7、aturbinebladebasedonproperdesigniscrucial.FocusingontheNASAC3Xstatbladethisthesisfirstexplesnumericallytheeffectsofpinfinsonfluidflowheattransferintheinternalcoolingchannelinaneffttoimprovecoolingperfmance.Basedonthevali

8、datednumericalmodeloptimizationsofinternalcoolingchannelsseparatelywithBeziercircularprofilesarecarriedout.Byvariationofsizepositionofthesechannelstemperaturethermalstressinthebladearereducedconcurrently.Themaincontribut

9、ionsofthepresentthesisaresummarizedasfollows.Firsttheeffectsofrelativepitch(LD)ofinlinepinfinarraysonfluidflowintheinternalcoolingchannelareclarifiedatvariousReynoldsnumbers.Withtheincreaseofrelativepitchvtexsheddingdown

10、streamthepinfinsshowsthreedistinctpatterns.AsimilarpatterntothatofasinglecircularcylinderisobservableatLD3.6.Itisalsofoundthatinternalchannelsseparatelyincpatingellipticalsquarepinfinsexhibitthelowesthighestpressurerespe

11、ctively.PressureincreaseswithincreasingReynoldsnumber.Subsequentlyconvectiveheattransferinacoolingchannelwithsphericalprotrusionsellipticalpinfinsisconsidered.FagivenReynoldsnumbernumericalresultsrevealthattheintroductio

12、nofprotrusionsenhancesheattransferbutinevitablyleadstoevidentlyhigherpressure.Itisfoundthatoptimalthermalperfmanceofthecoolingchannelsisachievedwhenheightdiameterratiooftheprotrusionsis0.4whichissuperitothatofthecoolingc