1、提高渦輪入口溫度對改善航空發(fā)動機推重比和熱效率有重要意義,但也給發(fā)動機的正常運行帶來一系列嚴重問題。目前入口燃氣溫度的提高速度遠遠高于葉片材料耐高溫性能的發(fā)展速度,在繼續(xù)發(fā)展耐高溫材料的同時,必須采取有效的冷卻技術(shù)和熱防護措施來保證渦輪葉片在高溫環(huán)境下安全可靠的工作。準確預(yù)測渦輪葉片的溫度場是延長葉片工作壽命、提高冷卻效率的關(guān)鍵問題,隨著計算流體力學的不斷發(fā)展,氣熱耦合方法已經(jīng)成為航空發(fā)動機冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要工具。本文借助氣熱耦合方法,

2、重點針對小尺寸高壓渦輪導(dǎo)向器葉片進行沖擊冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計,完成氣動和傳熱的三維耦合分析,為實際渦輪導(dǎo)向器葉片冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計提供參考。
　　葉輪機械中邊界層轉(zhuǎn)捩流動普遍存在,其直接影響葉片壁面附近傳熱過程,本文首先研究了如何準確預(yù)測邊界層轉(zhuǎn)捩流動問題,選擇Transition k-kl-ω轉(zhuǎn)捩模型對平板邊界層有無壓力梯度的跨越轉(zhuǎn)捩實驗進行數(shù)值計算,并對邊界層轉(zhuǎn)捩前后流動狀態(tài)以及影響轉(zhuǎn)捩流動的邊界條件進行研究,計算結(jié)果表明:Transiti

3、on k-kl-ω轉(zhuǎn)捩模型對有無壓力梯度的平板跨越轉(zhuǎn)捩表現(xiàn)良好,壓力梯度對邊界層轉(zhuǎn)捩流動有較大影響,順壓梯度有助于穩(wěn)定邊界層流動,延緩轉(zhuǎn)捩的發(fā)生,而逆壓梯度則容易使邊界層流動失穩(wěn),促使轉(zhuǎn)捩提前發(fā)生。
　　本文進一步對NASA-Mark II葉片傳熱實驗進行氣熱耦合數(shù)值計算,研究了各湍流模型的計算特點以及它們對轉(zhuǎn)捩流動的識別能力,分析了葉片表面邊界層流動狀態(tài)對渦輪葉片傳熱的影響,發(fā)現(xiàn)Transition k-kl-ω轉(zhuǎn)捩模型相比其它

4、全湍流模型,能夠更準確預(yù)測附面層內(nèi)的分離轉(zhuǎn)捩狀況。由于轉(zhuǎn)捩前期采用層流動能來描述擾動的發(fā)展,避免了使用含來流湍流度的經(jīng)驗公式所帶來的計算層流誤差,引入“分裂機制”來描述層流與湍流脈動間的相互作用,并且在旁路轉(zhuǎn)捩和自然轉(zhuǎn)捩源項模塊中加入了Tollmien-Schlichting波的影響,對強激波后的溫度計算相比常用的間歇因子轉(zhuǎn)捩模型與實驗值更吻合。最后采用變湍流普朗特數(shù)方法對Transition k-kl-ω轉(zhuǎn)捩模型的熱渦流擴散系數(shù)項進行

5、修正,保證湍流普朗特數(shù)從邊界層到主流區(qū)光滑過渡,使得對流換熱系數(shù)計算值與實驗值更加接近。
　　選用上述轉(zhuǎn)捩模型進行數(shù)值計算,得出平板單孔沖擊冷卻結(jié)果,并與三維單孔沖擊冷卻分析解以及實驗關(guān)聯(lián)式進行對比,同時對模型網(wǎng)格無關(guān)性進行計算,驗證數(shù)值結(jié)果的準確性,得到單孔沖擊冷卻的相應(yīng)規(guī)律,對于理解沖擊流動的流場和沖擊冷卻的機理有很大幫助。再利用已確定的數(shù)值計算方法,分析陣列射流不同的幾何參數(shù)和物理參數(shù)對沖擊冷卻傳熱和流動的影響,與實驗關(guān)聯(lián)式

6、進行對比,得到平板陣列射流的傳熱規(guī)律,為接下來導(dǎo)向器葉片冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計提供依據(jù)。
　　實驗研究不能完全仿照航空發(fā)動機的實際工作條件,利用數(shù)值計算的優(yōu)勢研究渦輪葉片的實際工作狀態(tài)具有非常重要的工程意義,接下來本文對導(dǎo)向器葉片進行沖擊冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計,首先計算得出未加冷卻時導(dǎo)向器葉片的溫度場分布,發(fā)現(xiàn)葉片最高溫度存在于前緣外表面中徑處,再根據(jù)具體溫度分布進行導(dǎo)向器葉片氣冷結(jié)構(gòu)設(shè)計,完成氣動和傳熱的三維耦合分析,實現(xiàn)在保持冷卻氣體流量不變的條

7、件下提高冷卻效果,降低材料的性能要求。當導(dǎo)流片孔數(shù)和孔徑滿足關(guān)系式(4n-1)D=葉高(mm)時,在導(dǎo)向器葉片葉高方向上能滿足冷卻要求。以結(jié)構(gòu)簡單為原則,選擇導(dǎo)流片每列沖擊孔軸向距離為X/d=5~7時,能夠滿足中弦區(qū)冷卻要求。前緣區(qū)域要想滿足要求,所設(shè)計的冷卻結(jié)構(gòu)前緣至少須布置兩列沖擊孔。沖擊間距較小時,沖擊間距變化對葉片的內(nèi)、外表面平均溫度影響不大,但隨沖擊間距的減小,內(nèi)、外表面最高溫度會降低,而最低溫度則會升高。單純從冷卻效果看,采