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《旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下渦輪動(dòng)葉內(nèi)冷結(jié)構(gòu)的流動(dòng)與換熱特性研究.pdf》由會(huì)員上傳分享，免費(fèi)在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在學(xué)術(shù)論文-天天文庫(kù)。
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(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(kāi)工學(xué)博士學(xué)位論文旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下渦輪動(dòng)葉內(nèi)冷結(jié)構(gòu)的流動(dòng)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(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(jì)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(shí)現(xiàn)復(fù)合冷卻的方式。此外對(duì)于渦輪動(dòng)葉來(lái)說(shuō)，在承受高溫的同時(shí)還處于高轉(zhuǎn)速環(huán)境，在設(shè)計(jì)內(nèi)部冷卻方案時(shí)必須考慮哥氏力等額外作用力對(duì)換熱的影響。本文專注于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下渦輪動(dòng)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(gè)典型內(nèi)冷結(jié)構(gòu)在旋轉(zhuǎn)條件下的流動(dòng)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(jì)。本文通過(guò)對(duì)寬高比為0.5并且前后緣壁面的對(duì)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(huì)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(shí)，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(shí)，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(shí)，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(shí)，通道內(nèi)流阻及前緣面上的換熱先增大后減小；橫向肋間距增大導(dǎo)致流阻和換熱均下降。本文通過(guò)研究哥氏力對(duì)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(dòng)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(lái)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(duì)換熱增強(qiáng)沒(méi)有明顯幫助；將射流孔形狀改進(jìn)為跑道形時(shí)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(guò)對(duì)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(guò)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(duì)-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(tái)方案的研究表明圓臺(tái)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(dòng)葉葉型并進(jìn)行了全三維流固耦合計(jì)算?？傮w來(lái)看，各個(gè)基本單元內(nèi)研究所得的換熱分布規(guī)
7、律在該渦輪動(dòng)葉內(nèi)依然成立：使用無(wú)量綱流向肋間距為0.2的間斷肋方案比對(duì)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(duì)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
