航空發(fā)動機氣冷渦輪葉片的氣熱耦合數(shù)值研究.pdf

1、現(xiàn)代航空燃氣渦輪發(fā)動機為了獲得更高的推重比和熱效率，不斷提高渦輪入口溫度，目前渦輪進口溫度已經(jīng)遠遠超過葉片材料的熔點溫度，必須采用復雜的冷卻技術(shù)來保持渦輪葉片的正常工作，準確預測渦輪葉片的溫度場是提高冷卻效率、延長葉片工作壽命的關(guān)鍵問題，隨著的計算流體力學的不斷發(fā)展，氣熱耦合數(shù)值模擬技術(shù)已經(jīng)成在航空發(fā)動機工程設(shè)計的重要工具，本文的主要工作就是對航空發(fā)動機氣冷渦輪葉片進行氣熱耦合數(shù)值模擬，并對進一步提高渦輪葉片氣熱耦合數(shù)值模擬的準確性和可

2、靠性進行深入分析。
　　本文首先研究了如何準確預測邊界層轉(zhuǎn)捩流動的問題，航空發(fā)動機中普遍存在轉(zhuǎn)捩流動，邊界層轉(zhuǎn)捩前后的流動狀態(tài)、壁面切應力和換熱系數(shù)等均不相同，準確預測邊界層轉(zhuǎn)捩流動的起始位置對于渦輪葉片的氣動和傳熱設(shè)計都具有非常重要的意義，能否準確模擬邊界層轉(zhuǎn)捩流動的關(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)捩模型對平板邊界層轉(zhuǎn)捩實驗進行數(shù)值模擬，通過詳細分析各模型的計算特點和對轉(zhuǎn)捩流動的識別能力，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)，不能準確模擬邊界層轉(zhuǎn)捩流動，目前情況下準確模擬邊界層轉(zhuǎn)捩流動必須選用合適的轉(zhuǎn)捩模型，本文選用 g-Req轉(zhuǎn)捩模型對平板邊界層轉(zhuǎn)捩流動進行數(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，本文還研究了壓力梯度和溫度梯度對轉(zhuǎn)捩流動的影響，發(fā)現(xiàn)順壓梯度有助于穩(wěn)定邊界層流動，延緩轉(zhuǎn)捩的發(fā)生，而逆壓力梯度容易促使邊界層流動失穩(wěn)，促進轉(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運動，延緩邊界層轉(zhuǎn)捩的發(fā)生。
　　航空發(fā)動機渦輪葉片的氣動和傳熱過程非常復雜而且相互影響，本文通過對帶有內(nèi)部徑向?qū)α骼鋮s的 MarkII和 C3X葉片的傳熱實驗進行了氣熱耦合數(shù)值模擬，評估了不同湍流模型和轉(zhuǎn)捩模型的氣熱耦合計算精度，發(fā)現(xiàn)邊界層的流動狀態(tài)對渦輪葉片的傳熱過程有很大的影響，當渦輪葉片存在轉(zhuǎn)捩流動的時候必須選用合適的物理模型才能提高氣熱耦合數(shù)值計算的準確性和可靠性

5、，本文選用 g-Req轉(zhuǎn)捩模型比較準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和傳熱計算精度的研究對進一步模擬航空發(fā)動機渦輪葉片氣冷結(jié)構(gòu)的傳熱過程做了數(shù)值計算上的準備。
　　葉片外表面冷卻射流與高溫主流燃氣之間的相互摻混是一個復雜三維氣動與傳熱過程，本文通過對帶有氣膜冷卻 C3X葉片傳熱實驗進行氣熱耦合數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)氣膜冷卻射流在葉片表面的流動和傳熱過程和主流邊界層的流動狀態(tài)也密切相關(guān)，當主流邊界層為層流狀態(tài)時，氣

6、膜冷卻射流能保持自身的獨特流動狀態(tài)，冷卻射流覆蓋區(qū)域的冷卻效果較好，但當主流邊界層轉(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增強促使氣膜冷卻射流與主流邊界層迅速融合，冷卻射流對葉片表面的冷卻效果大大降低；當氣膜冷卻射流的流動狀態(tài)保持較好時，氣膜冷卻射流的動量相對當?shù)氐闹髁鬟吔鐚右蟮枚?，氣膜冷卻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，并且氣膜射流的對轉(zhuǎn)渦對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；另外葉片表面多排氣膜冷卻相互疊加作用也很強烈，前緣氣膜射流的較大徑向流動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，在下游較遠處才向壁面發(fā)生再附。
　　實驗研究不能完全模擬航空發(fā)動機的實際工作條件，利用數(shù)值模擬的優(yōu)勢深入研究渦輪葉片的實際工作狀態(tài)具有很重要的工程意義，本文對航空發(fā)動機實際工作條件下渦輪葉片前緣復合冷卻結(jié)構(gòu)的傳熱過程進行了

8、氣熱耦合數(shù)值模擬，復合冷卻結(jié)構(gòu)包括氣膜冷卻、對流冷卻、沖擊冷卻、熱障涂層和高溫鎳基合金，渦輪葉片前緣復合冷卻結(jié)構(gòu)的隔熱降溫效果比較明顯，葉片的實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口溫度沿徑向不均勻分布是航空發(fā)動機運行過程中常見的現(xiàn)象，這種溫度的徑向不均勻分布使渦輪葉片表面的熱負荷變得不均勻，同時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)計中應該考慮進口溫度徑向分布不均勻?qū)u輪葉片傳熱的影響；“熱斑”是由渦輪進口溫度不均勻性的一種畸變狀態(tài)，熱斑對渦輪葉片表面形成非常集中、強烈的熱沖擊，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位置變