航空發(fā)動(dòng)機(jī)氣冷渦輪葉片的氣熱耦合數(shù)值研究.pdf

1、現(xiàn)代航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)為了獲得更高的推重比和熱效率，不斷提高渦輪入口溫度，目前渦輪進(jìn)口溫度已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過葉片材料的熔點(diǎn)溫度，必須采用復(fù)雜的冷卻技術(shù)來保持渦輪葉片的正常工作，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)渦輪葉片的溫度場(chǎng)是提高冷卻效率、延長葉片工作壽命的關(guān)鍵問題，隨著的計(jì)算流體力學(xué)的不斷發(fā)展，氣熱耦合數(shù)值模擬技術(shù)已經(jīng)成在航空發(fā)動(dòng)機(jī)工程設(shè)計(jì)的重要工具，本文的主要工作就是對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)氣冷渦輪葉片進(jìn)行氣熱耦合數(shù)值模擬，并對(duì)進(jìn)一步提高渦輪葉片氣熱耦合數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性和可

2、靠性進(jìn)行深入分析。
　　本文首先研究了如何準(zhǔn)確預(yù)測(cè)邊界層轉(zhuǎn)捩流動(dòng)的問題，航空發(fā)動(dòng)機(jī)中普遍存在轉(zhuǎn)捩流動(dòng)，邊界層轉(zhuǎn)捩前后的流動(dòng)狀態(tài)、壁面切應(yīng)力和換熱系數(shù)等均不相同，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)邊界層轉(zhuǎn)捩流動(dòng)的起始位置對(duì)于渦輪葉片的氣動(dòng)和傳熱設(shè)計(jì)都具有非常重要的意義，能否準(zhǔn)確模擬邊界層轉(zhuǎn)捩流動(dòng)的關(guān)鍵在于如何選擇合適的物理模型，本文選擇常見的二方程湍流模型和轉(zhuǎn)捩模型對(duì)平板邊界層轉(zhuǎn)捩實(shí)驗(yàn)進(jìn)行數(shù)值模擬，通過詳細(xì)分析各模型的計(jì)算特點(diǎn)和對(duì)轉(zhuǎn)捩流動(dòng)的識(shí)別能力，發(fā)現(xiàn)常見

3、的高雷諾數(shù) K-ε湍流模型和低雷諾數(shù) K-ω湍流模型都是基于全湍流假設(shè)，不能準(zhǔn)確模擬邊界層轉(zhuǎn)捩流動(dòng)，目前情況下準(zhǔn)確模擬邊界層轉(zhuǎn)捩流動(dòng)必須選用合適的轉(zhuǎn)捩模型，本文選用 g-Req轉(zhuǎn)捩模型對(duì)平板邊界層轉(zhuǎn)捩流動(dòng)進(jìn)行數(shù)值模擬獲得了比較令人滿意的結(jié)果。為了研究渦輪典型工作環(huán)境下邊界層轉(zhuǎn)捩的特點(diǎn)，本文還研究了壓力梯度和溫度梯度對(duì)轉(zhuǎn)捩流動(dòng)的影響，發(fā)現(xiàn)順壓梯度有助于穩(wěn)定邊界層流動(dòng)，延緩轉(zhuǎn)捩的發(fā)生，而逆壓力梯度容易促使邊界層流動(dòng)失穩(wěn)，促進(jìn)轉(zhuǎn)捩提前發(fā)生；垂

4、直于壁面方向較大的溫度梯度所引起的密度分層抑制了湍流的脈動(dòng)運(yùn)動(dòng)，延緩邊界層轉(zhuǎn)捩的發(fā)生。
　　航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片的氣動(dòng)和傳熱過程非常復(fù)雜而且相互影響，本文通過對(duì)帶有內(nèi)部徑向?qū)α骼鋮s的 MarkII和 C3X葉片的傳熱實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了氣熱耦合數(shù)值模擬，評(píng)估了不同湍流模型和轉(zhuǎn)捩模型的氣熱耦合計(jì)算精度，發(fā)現(xiàn)邊界層的流動(dòng)狀態(tài)對(duì)渦輪葉片的傳熱過程有很大的影響，當(dāng)渦輪葉片存在轉(zhuǎn)捩流動(dòng)的時(shí)候必須選用合適的物理模型才能提高氣熱耦合數(shù)值計(jì)算的準(zhǔn)確性和可靠性

5、，本文選用 g-Req轉(zhuǎn)捩模型比較準(zhǔn)確的模擬了渦輪葉片表面的傳熱過程。上述關(guān)于提高渦輪葉片氣動(dòng)和傳熱計(jì)算精度的研究對(duì)進(jìn)一步模擬航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片氣冷結(jié)構(gòu)的傳熱過程做了數(shù)值計(jì)算上的準(zhǔn)備。
　　葉片外表面冷卻射流與高溫主流燃?xì)庵g的相互摻混是一個(gè)復(fù)雜三維氣動(dòng)與傳熱過程，本文通過對(duì)帶有氣膜冷卻 C3X葉片傳熱實(shí)驗(yàn)進(jìn)行氣熱耦合數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)氣膜冷卻射流在葉片表面的流動(dòng)和傳熱過程和主流邊界層的流動(dòng)狀態(tài)也密切相關(guān)，當(dāng)主流邊界層為層流狀態(tài)時(shí)，氣

6、膜冷卻射流能保持自身的獨(dú)特流動(dòng)狀態(tài)，冷卻射流覆蓋區(qū)域的冷卻效果較好，但當(dāng)主流邊界層轉(zhuǎn)捩為湍流以后，由于冷卻射流與主流邊界層之間摻混流動(dòng)增強(qiáng)促使氣膜冷卻射流與主流邊界層迅速融合，冷卻射流對(duì)葉片表面的冷卻效果大大降低；當(dāng)氣膜冷卻射流的流動(dòng)狀態(tài)保持較好時(shí)，氣膜冷卻射流的動(dòng)量相對(duì)當(dāng)?shù)氐闹髁鬟吔鐚右蟮枚啵瑲饽だ鋮s射流在葉片表面形成若干平行的“氣流柱”，主流邊界層流體只能從相鄰“氣流柱”之間壓縮流過，并且氣膜射流的對(duì)轉(zhuǎn)渦對(duì)不斷裹挾周圍的高溫流體到

7、邊界層內(nèi)，使這些區(qū)域的換熱增強(qiáng)；另外葉片表面多排氣膜冷卻相互疊加作用也很強(qiáng)烈，前緣氣膜射流的較大徑向流動(dòng)分速誘使下游氣膜冷卻射流也明顯向葉頂偏斜，下游冷卻射流形成密集連續(xù)的氣膜將前緣冷卻射流和主流邊界層抬離壁面，在下游較遠(yuǎn)處才向壁面發(fā)生再附。
　　實(shí)驗(yàn)研究不能完全模擬航空發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際工作條件，利用數(shù)值模擬的優(yōu)勢(shì)深入研究渦輪葉片的實(shí)際工作狀態(tài)具有很重要的工程意義，本文對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際工作條件下渦輪葉片前緣復(fù)合冷卻結(jié)構(gòu)的傳熱過程進(jìn)行了

8、氣熱耦合數(shù)值模擬，復(fù)合冷卻結(jié)構(gòu)包括氣膜冷卻、對(duì)流冷卻、沖擊冷卻、熱障涂層和高溫鎳基合金，渦輪葉片前緣復(fù)合冷卻結(jié)構(gòu)的隔熱降溫效果比較明顯，葉片的實(shí)際工作溫度被有效降低到比較安全的范圍，沖擊冷卻配合氣膜冷卻使用能有效降低葉片前緣的熱負(fù)荷，在葉片表面添加熱障涂層可以在相同的工作條件下大大提高渦輪葉片的抗氧化和抗熱腐蝕的能力，并適當(dāng)降低金屬葉片的工作溫度和溫度梯度。本文最后研究了燃燒室出口溫度不均勻分布對(duì)渦輪葉片前緣傳熱的影響，由于燃燒室內(nèi)摻混

9、不充分以及壁面冷卻形成的渦輪進(jìn)口溫度沿徑向不均勻分布是航空發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過程中常見的現(xiàn)象，這種溫度的徑向不均勻分布使渦輪葉片表面的熱負(fù)荷變得不均勻，同時(shí)使葉片前緣和下游氣膜冷卻在局部區(qū)域的冷卻效果降低，在冷卻設(shè)計(jì)中應(yīng)該考慮進(jìn)口溫度徑向分布不均勻?qū)u輪葉片傳熱的影響；“熱斑”是由渦輪進(jìn)口溫度不均勻性的一種畸變狀態(tài)，熱斑對(duì)渦輪葉片表面形成非常集中、強(qiáng)烈的熱沖擊，葉片局部形成很大的溫度梯度，極大影響了渦輪葉片的工作壽命，熱斑與渦輪葉片的相對(duì)位置變