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《渦輪葉片內冷通道的流動傳熱特性分析及優(yōu)化設計》由會員上傳分享，免費在線閱讀，更多相關內容在學術論文-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，而渦輪葉片高效內部冷卻技術是這一措施得以實施的先決條件之一。內部冷卻結構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，如何通過合理的設計，平衡葉片的熱學和力學性能是亟待解決的問題。本文以NASAC3X渦輪導向葉片為研究對象，通過數(shù)值模擬探究了擾流柱對內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)化設計，以同步改善葉片內的溫度和熱應力分布
2、。本文得出的主要結論如下：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冷通道中流動的影響。數(shù)值結果表明，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L/D<1.6時，渦脫落形式與單圓柱相同；當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構進行優(yōu)化設計。優(yōu)化結果表明，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，但同時使葉片熱應力增大；相比之下，圓形冷卻孔有助于減小熱應力，但受其形狀限制，不能充分冷卻葉片高溫部分；所有優(yōu)化后獲得的冷卻構型均能有效降低葉片溫度，并將葉片應力控制在材料的許用應力范圍之內。本論文工作受國家自然科學基金項目（51676163）和陜西省科技新星人才項目（2015KJXX-12）的資助。關鍵詞：渦輪葉片，內冷通道，對流傳熱強化，熱應力，優(yōu)化設計I西北工業(yè)大學碩士學位論文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
