涡轮外环非定常气膜冷却特性研究

作     者：韩博 

作者单位：沈阳航空航天大学 

学位级别：硕士

导师姓名：寇志海

授予年度：2020年

学科分类：082502[工学-航空宇航推进理论与工程] 08[工学] 0825[工学-航空宇航科学与技术] 

主      题：涡轮外环 非定常 气膜冷却 叶顶泄漏涡 叶顶泄漏流 

摘      要：在各国航空事业迅猛发展的今天,为了实现航空发动机更高的推重比和热效率,涡轮进口温度不断提高,对涡轮关键部位的冷却提出更高的要求。涡轮外环直接暴露在叶顶间隙的泄漏流中,并承受高的热负荷和高低频高温循环热冲击,已经成为当前航空发动机涡轮级常见的寿命限制因素。但目前国内外对涡轮外环非定常气膜冷却特性的研究还相当匮乏,其传热流动的详细机理尚未阐明,有必要对外环非定常气膜冷却特性进行深入研究。本文对叶片高速扫掠作用下高压涡轮外环的非定常气膜冷却过程进行了数值模拟,应用滑移网格实现涡轮叶片与外环壁面之间的相对运动。分析了吹风比、顺逆射流方向、气膜孔射流角度等因素对高压涡轮外环气膜冷却特性的影响规律。研究结果表明:外环气膜冷却效率分布主要受由叶片旋转所产生的叶顶泄漏流及泄漏涡的影响;叶顶泄漏涡表现为对冷气的压制与裹挟作用;这种对冷气的压制作用从强至弱依次为叶顶泄漏涡、叶顶泄漏流、主流通道内流动;气膜孔逆向射流时,会使叶顶泄漏涡涡型发生改变,且与外环距离增加。针对在小吹风比下涡轮外环气膜覆盖不均的现象,从沿主流方向剧烈压力变化所导致的各列气膜孔冷气分配不均入手,通过改变气膜孔孔径及冷气腔结构,以求实现更好的冷却效果。最终发现更改冷气腔结构具有更好的冷却效果。