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《旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下渦輪動葉內(nèi)冷結(jié)構(gòu)的流動與換熱特性研究.pdf》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、博士學(xué)位論文王晉聲哈爾濱工業(yè)大學(xué)2018年6月國內(nèi)圖書分類號：TK471學(xué)校代碼：10213國際圖書分類號：621.438密級：公開工學(xué)博士學(xué)位論文旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下渦輪動葉內(nèi)冷結(jié)構(gòu)的流動與換熱特性研究博士研究生：王晉聲導(dǎo)師：王松濤教授申請學(xué)位：工學(xué)博士學(xué)科：動力工程及工程熱物理所在單位：能源科學(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:621.438DissertationfortheDoctoralDegreeinEngineeringInvestigationsonFlowandHeatTransferCharacter
2、isticsofInternalCoolingforTurbineBladeinRotatingConditionCandidate：WangJinshengSupervisor：Prof.WangSongtaoAcademicDegreeAppliedfor：DoctorofEngineeringPowerEngineeringandSpeciality：EngineeringThermalphysicsAffiliation：SchoolofEnergyScienceandEngineeringDateofDefence：June,2018Degree-Conferring-Instit
3、ution：HarbinInstituteofTechnology摘要摘要隨著高效燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)的發(fā)展，渦輪入口燃?xì)鉁囟纫蟛粩嗌?，在耐高溫材料不足以承受燃?xì)鉁囟鹊那闆r下，只有采用有效的渦輪部件熱防護(hù)措施才能滿足設(shè)計需求。常用的渦輪葉片冷卻結(jié)構(gòu)有外部的氣膜冷卻和內(nèi)部的擾流冷卻、沖擊冷卻等，現(xiàn)代渦輪葉片常常采用多種結(jié)構(gòu)實現(xiàn)復(fù)合冷卻的方式。此外對于渦輪動葉來說，在承受高溫的同時還處于高轉(zhuǎn)速環(huán)境，在設(shè)計內(nèi)部冷卻方案時必須考慮哥氏力等額外作用力對換熱的影響。本文專注于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下渦輪動葉的內(nèi)部冷卻研究，借助數(shù)值模擬方法研究了葉片內(nèi)部帶肋通道、沖擊射流和擾流柱冷卻這三個典型內(nèi)冷結(jié)構(gòu)在旋轉(zhuǎn)條件下的流動換熱
4、機(jī)理，提出了有利于增強(qiáng)內(nèi)部冷卻性能并提高換熱均勻性的內(nèi)冷設(shè)計。本文通過對寬高比為0.5并且前后緣壁面的對稱面與旋轉(zhuǎn)軸夾角為45°的旋轉(zhuǎn)通道內(nèi)部換熱研究發(fā)現(xiàn)，連續(xù)肋方案中傾斜角相同但傾斜方向不同的擾流肋，會在哥氏力作用下造成相反的換熱結(jié)果，當(dāng)哥氏力沿肋方向的分量，與肋方向相同時，哥氏力產(chǎn)生的旋渦可以和該傾斜方向的擾流肋誘導(dǎo)的旋渦相互促進(jìn)，使前緣面被哥氏力削弱的換熱得到恢復(fù)，達(dá)到與后緣面換熱相接近的程度，反之哥氏力沿肋方向的分量，與肋方向相反時，哥氏力與擾流肋的抵消作用使前后緣壁面換熱減弱。而在間斷肋方案的研究中發(fā)現(xiàn)合適的間斷肋方案可以顯著增強(qiáng)靠近內(nèi)側(cè)壁區(qū)間的前緣壁面換熱，當(dāng)流向肋間距增大時，換
5、熱性能逐漸降低；內(nèi)側(cè)擾流肋角度從30°增加到90°時，通道內(nèi)流阻及前緣面上的換熱先增大后減?。粰M向肋間距增大導(dǎo)致流阻和換熱均下降。本文通過研究哥氏力對射流沖擊換熱的影響機(jī)制發(fā)現(xiàn)，旋轉(zhuǎn)效應(yīng)產(chǎn)生的周向哥氏力帶動徑向橫流向后緣面偏移，使靶面換熱逐漸降低；調(diào)節(jié)射流孔的徑向或周向傾角可以修正射流方向來抵消徑向橫流以及橫向哥氏力的作用，有助于換熱均勻性的提升但對換熱增強(qiáng)沒有明顯幫助；將射流孔形狀改進(jìn)為跑道形時有利于抵消徑向橫流，使射流穿透橫流的能力增強(qiáng)從而提高在靶面的沖擊效果；使用雙旋渦通道可以顯著提升通道靶面上的換熱，該通道內(nèi)形成的旋渦有效地抵消哥氏力的不利影響，增大了高換熱區(qū)域的面積。本文通過對旋轉(zhuǎn)
6、尾緣通道內(nèi)的擾流換熱研究發(fā)現(xiàn)，傾斜擾流柱有助于增加擾流柱尾跡區(qū)域二次流強(qiáng)度，提高近壁區(qū)被加熱的氣體與主流區(qū)低溫氣體間的摻混和熱量交換，并防止了熱邊界層過厚導(dǎo)致的熱阻增大，選擇合理的傾斜方向有助于抵消哥氏力的不利作用；圓柱凸方案的使用也有利于提升尾跡區(qū)二次流強(qiáng)度，并對-I-哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)博士學(xué)位論文降低通道流阻作用明顯；圓臺方案的研究表明圓臺根部的鈍角型壁面夾角強(qiáng)化了能增強(qiáng)局部換熱的馬蹄渦，因此將鈍角側(cè)布置在換熱弱的吸力側(cè)的方案更有利于均勻提高兩側(cè)壁面的換熱。本文最終將研究的各部位冷卻結(jié)構(gòu)單元應(yīng)用于某一典型渦輪動葉葉型并進(jìn)行了全三維流固耦合計算?？傮w來看，各個基本單元內(nèi)研究所得的換熱分布規(guī)
7、律在該渦輪動葉內(nèi)依然成立：使用無量綱流向肋間距為0.2的間斷肋方案比對應(yīng)的連續(xù)肋方案換熱能力強(qiáng)；雙旋渦通道射流從沖擊孔到達(dá)靶面的行程短并且橫流高速區(qū)遠(yuǎn)離前緣靶面，特別是對壓力側(cè)換熱有顯著的提升效果，一定程度上抵消了哥氏力的不利影響；在尾緣處，僅從增強(qiáng)換熱的角度出發(fā)，傾斜圓柱凸方案的換熱性能最佳。關(guān)鍵詞：燃?xì)鉁u輪；數(shù)值模擬；擾流冷卻；沖擊冷卻；旋轉(zhuǎn)通道；-II-AbstractAbstractWiththede
