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1、工學(xué)博士學(xué)位論文燃?xì)鉁u輪葉片中新型擾流結(jié)構(gòu)的換熱和流動(dòng)研究STUDYONTHEHEATTRANSFERANDFLOWCHARACTERISTICSOFNOVELTURBULENCEGENERATORSINGASTURBINEBLADES王龍飛哈爾濱工業(yè)大學(xué)2018年6月國(guó)內(nèi)圖書分類號(hào)：TK471學(xué)校代碼：10213國(guó)際圖書分類號(hào)：621.438密級(jí)：公開工學(xué)博士學(xué)位論文燃?xì)鉁u輪葉片中新型擾流結(jié)構(gòu)的換熱和流動(dòng)研究博士研究生：王龍飛導(dǎo)師：王松濤教授申請(qǐng)學(xué)位：工學(xué)博士學(xué)科：動(dòng)力工程及工程熱物理所在單位：能
2、源科學(xué)與工程學(xué)院答辯日期：2018年6月授予學(xué)位單位：哈爾濱工業(yè)大學(xué)ClassifiedIndex:TK471U.D.C:621.438DissertationfortheDoctoralDegreeinEngineeringSTUDYONTHEHEATTRANSFERANDFLOWCHARACTERISTICSOFNOVELTURBULENCEGENERATORSINGASTURBINEBLADESCandidate:WangLongfeiSupervisor:Prof.WangSongtaoAc
3、ademicDegreeAppliedfor:DoctorofEngineeringPowerEngineeringandEngineeringSpecialty:ThermalphysicsAffiliation:SchoolofEnergySci.&Eng.DateofDefence:June,2018Degree-Conferring-institution:HarbinInstituteofTechnology摘要摘要航空燃?xì)廨啓C(jī)是現(xiàn)代飛機(jī)的主要?jiǎng)恿碓?，其發(fā)展水平直接反映了航空產(chǎn)業(yè)的先進(jìn)程
4、度。作為燃?xì)廨啓C(jī)的動(dòng)力部件，渦輪的表現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的整體性能至關(guān)重要。為了獲得更大的推力和更高的氣動(dòng)效率，渦輪前的燃?xì)鉁囟炔粩嗵岣?，已?jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過先進(jìn)葉片材料的承受溫度，因此需要為葉片設(shè)計(jì)有效、可靠的冷卻結(jié)構(gòu)，以保證渦輪乃至整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行。帶肋通道和柱肋排通道是渦輪葉片內(nèi)部冷卻的典型形式，擾流肋和柱肋是影響通道性能的主要因素，具有較大的改進(jìn)潛力。本文采用數(shù)值模擬的的方法，在冷卻通道中對(duì)傳統(tǒng)擾流結(jié)構(gòu)進(jìn)行了幾何改進(jìn)，以進(jìn)一步改善換熱性能，其中選擇典型的通道進(jìn)口雷諾數(shù)范圍10000~60000。本文提出了
5、新型的波浪肋，以強(qiáng)化渦輪葉片中部冷卻通道的換熱性能，并改善流動(dòng)特性。將簡(jiǎn)單的波浪肋結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)擾流肋進(jìn)行了初步的性能對(duì)比。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，波浪肋具有進(jìn)一步改善帶肋壁面換熱同時(shí)降低通道壓損的潛力，是下文的主要研究對(duì)象。在三種常見的45°斜肋、45°V型肋和45°W型肋中，選擇換熱改善性能最好的45°V型肋作為波浪肋的對(duì)比方案，以進(jìn)一步凸顯優(yōu)化設(shè)計(jì)后的波浪肋在改善換熱和降低壓損方面的優(yōu)勢(shì)。本文提出新型的多重射流板，以進(jìn)一步改善渦輪葉片尾緣的換熱性能。與傳統(tǒng)柱肋排進(jìn)行了換熱改善性能和流動(dòng)壓損的對(duì)比，明確了多重射流
6、板的性能。多重射流板的特點(diǎn)鮮明：換熱改善性能非常好、引起的壓損較大和結(jié)構(gòu)復(fù)雜，同時(shí)在渦輪葉片尾緣寬通道的典型雷諾數(shù)范圍內(nèi)具有較好的熱性能。對(duì)多重射流板的主要幾何參數(shù)射流距離和射流板厚度進(jìn)行了初步研究，并考慮了多種典型雷諾數(shù)，發(fā)現(xiàn)換熱性能和壓損均與二者大小成反比。在靜止單通道中研究了波浪肋幾何參數(shù)肋高、倒圓角半徑、肋角和肋厚對(duì)其性能的影響，同時(shí)考慮了雷諾數(shù)的影響。選擇帶肋壁面附近和通道橫截面上的流場(chǎng)分布進(jìn)行分析，同時(shí)給出通道整體的壓損系數(shù)，發(fā)現(xiàn)波浪肋的導(dǎo)流作用是有效控制壓損的主要原因。帶肋壁面是冷卻通
7、道的最重要的換熱表面，其換熱性能是主要研究對(duì)象，同時(shí)對(duì)光滑側(cè)壁面的換熱性能也有所研究。根據(jù)本文中等壁溫的邊界設(shè)置，與帶肋壁面對(duì)應(yīng)加熱面的熱流量或熱流密度是衡量擾流肋換熱改善性能的最終參數(shù)，同時(shí)給出帶肋壁面的努塞爾數(shù)比、熱性能和面積提高值、波浪肋在帶肋壁面上的換熱貢獻(xiàn)和換熱面積比以明確各個(gè)幾何參數(shù)對(duì)通道壁面換熱的影響。在U型通道中研究了波浪肋對(duì)冷氣流動(dòng)和所有壁面換熱的影響，同時(shí)考慮了旋轉(zhuǎn)的影響。通過給出帶肋壁面附近的三維流場(chǎng)，分析波浪肋、旋轉(zhuǎn)和折轉(zhuǎn)段對(duì)冷氣流-I-哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)博士學(xué)位論文動(dòng)的影響
8、。在此基礎(chǔ)上，研究帶肋壁面、側(cè)壁面和頂壁面上的流動(dòng)特性，探究了以上三個(gè)因素影響流動(dòng)損失和壁面換熱的原因。結(jié)合通道所有表面上努塞爾數(shù)比的分布，明確了波浪肋對(duì)旋轉(zhuǎn)效應(yīng)的影響。在渦輪葉片典型的靜止單通道、靜止和旋轉(zhuǎn)U型通道中，對(duì)所有帶肋壁面換熱改善性能高于對(duì)比方案同時(shí)壓損系數(shù)不升高的高性能波浪肋進(jìn)行了歸納總結(jié)。帶肋壁面對(duì)應(yīng)加熱面熱流密度的提高值和通道壓損系數(shù)的提高值是本文中衡量通道換熱性能和流動(dòng)特性的兩個(gè)主要參數(shù)。給出波浪肋表面和端壁表面的熱流量、波浪肋表面的換熱面積比、波
