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《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》由會員上傳分享，免費在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在學(xué)術(shù)論文-天天文庫。
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
2、。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（L/D）的增大而發(fā)生三個階段的變化：當(dāng)L/D<1.6時，渦脫落形式與單圓柱相同；當(dāng)1.63.6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
3、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)SSTk-ω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)部和外部的流動傳熱特性。隨后，以葉片平均溫度和最高溫度為目標函數(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
4、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（2015KJXX-12）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I西北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文IIABSTRACTABSTRACTTofurtherimprovethermalefficie
5、ncyandthrust-weightratioofaero-engines,highergastemperatureattheinletofthebladecascadesisdesirable.Correspondingly,high-performanceinternalcoolingtechniqueshavetobedevelopedtopreventbladematerialfromoverheating.Giventhattheintroductionofinternalchannelsreducesb
6、ladetemperatureanddeterioratesstrength/stiffnessofthebladeconcurrently,balancingthermalandmechanicalpropertiesofaturbinebladebasedonproperdesigniscrucial.FocusingontheNASAC3Xstatorblade,thisthesisfirstexploresnumericallytheeffectsofpin-finsonfluidflowandheattra
7、nsferintheinternalcoolingchannel,inanefforttoimprovecoolingperformance.Basedonthevalidatednumericalmodel,optimizationsofinternalcoolingchannelsseparatelywithBezierandcircularprofilesarecarriedout.Byvariationofsizeandpositionofthesechannels,temperatureandthermal
8、stressinthebladearereducedconcurrently.Themaincontributionsofthepresentthesisaresummarizedasfollows.First,theeffectsofrelativepitch(L/D)ofin-linepin-finarraysonfluidflowinth
