冲击—致密微孔浮动壁火焰筒冷却研究

论文摘要

随着现代航空发动机性能的飞速提升,各种新颖的燃烧室火焰筒冷却方法和结构形式不断涌现,冲击-致密微孔浮动壁火焰筒冷却技术就是其中之一。本文对该技术开展的研究包括四个方面。首先,对冲击-致密微孔浮动壁复合冷却方式的基础流动与换热特性进行了详细的实验研究,研究了冲击-致密微孔壁当量孔流量特性、致密微孔壁冷侧冲击换热、气膜侧对流换热、孔内对流换热以及气膜绝热冷却效率等。实验中考虑了多个气动和结构参数对流动和换热的影响,分析了该复合冷却方式流动与换热的变化规律,并根据实验数据总结拟合了换热经验准则关系式。其次,分别对采用冲击-致密微孔浮动壁冷却方式的单头部燃烧室和全尺寸环形燃烧室的火焰筒壁面冷却效果进行了研究。通过单头部燃烧室实验,分析对比了多种孔配置的冲击-致密微孔浮动壁的冷却效果,为筛选具有最佳综合冷效的浮动壁结构奠定了基础。环形燃烧室的实验完全模拟发动机的工况,验证了冲击-致密微孔浮动壁结构的冷却效果。然后,通过数值模拟,采用ANSYS软件的热分析模块,结合本文基础传热实验和相关文献资料的换热准则关系式进行了冲击-致密微孔浮动壁三维壁温计算,并将计算结果与试验结果进行了比对分析。最后,本文就如何将冲击-致密微孔浮动壁这一新颖的火焰筒冷却技术可靠有效地运用到高性能航空发动机上进行了简要的展望,提出了一些研究建议。本文的研究表明:a.冲击-致密微孔浮动壁火焰筒冷却技术的冷却用气量较少,冷却气量仅为火焰筒总进气量的18%20%;火焰筒壁温较低,均不高于900℃;壁温梯度较小,在一个瓦块上沿流动方向最大的温差约为200℃左右,远比一段缝槽气膜冷却的壁温差要小。b.影响冲击-致密微孔浮动壁综合冷却效果的因素很多,这些因素相互矛盾和制约。所以在实际应用中,冲击-致密微孔浮动壁冷却结构的参数配置应灵活选取和调配,以利于与燃烧室的其它设计性能参数相匹配。c.浮动瓦块三维壁温场计算方法具有工程适用性,快捷方便,具有较高的计算精度,可为火焰筒壁的强度和寿命预估提供必需的基础数据,有助于航空发动机主燃烧室设计体系的完整建立。总之,冲击-致密微孔浮动壁火焰筒冷却技术是一种高效的冷却技术,对于高性能航空发动机研制具有重大的潜在应用价值。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 航空发动机性能提升对燃烧室火焰筒冷却提出了严峻挑战
• 1.2 燃烧室火焰筒冷却技术发展综述
• 1.2.1 气膜冷却（FILM COOLING）
• 1.2.2 气膜-对流冷却（FILM-CONVECTION COOLING）
• 1.2.3 发散/发汗冷却（TRANSPIRATION COOLING/SWEAT COOLING）
• 1.2.4 层板冷却（LAMINATED COOLING）
• 1.2.5 致密微孔壁冷却（EFFUSION COOLING）
• 1.2.6 冲击-致密微孔壁冷却（IMPINGEMENT/EFFUSION COOLING）
• 1.2.7 柔性金属/陶瓷火焰筒（COMPLIANT METAL/CERAMIC LINER）
• 1.3 本文研究工作和论文结构
• 1.3.1 研究工作来源
• 1.3.2 研究背景
• 1.3.3 研究内容、途径和关键点
• 1.3.4 论文结构
• 第二章 国内外相关文献综合分析
• 2.1 冲击-致密微孔壁冷却流动与换热特性研究
• 2.1.1 冲击-致密微孔壁冷却流动换热过程
• 2.1.2 火焰筒壁面进气孔流量系数
• 2.1.3 壁面冲击对流换热
• 2.1.4 致密微孔孔内对流换热
• 2.1.5 气膜绝热冷却效率
• 2.1.6 气膜对流换热
• 2.2 浮动壁燃烧室相关研究
• 2.3 火焰筒壁面温度场计算相关研究
• 第三章 冲击-致密微孔壁冷却流动和换热特性实验研究
• 3.1 冲击-致密微孔壁冷却几何结构方案确定
• 3.1.1 冲击-致密微孔壁几何结构特征
• 3.1.2 几何结构方案确定
• 3.2 冲击-致密微孔壁当量孔流量系数实验研究
• 3.2.1 当量孔流量系数定义
• 3.2.2 实验方法和实验系统
• 3.2.3 实验结果分析与讨论
• 3.2.3.1 主流速度的影响
• P 的影响'>3.2.3.2 压力参数P_P的影响
• 3.2.3.3 双层壁孔排布方式的影响
• 3.2.3.4 双层壁缝高的影响
• 3.3 致密微孔壁冷侧冲击换热系数实验研究
• 3.3.1 实验方法和实验系统
• 3.3.2 实验结果分析与讨论
• 3.3.2.1 加热损失实验
• 3.3.2.2 局部Nu 数的分布趋势
• 3.3.2.3 冲击气流雷诺数的影响
• 3.3.2.4 几何结构的影响
• 3.3.2.5 实验拟合公式
• 3.4 致密微孔壁孔内换热系数实验研究
• 3.4.1 实验方法和实验系统
• 3.4.2 实验结果和分析
• 3.4.2.1 散热损失实验
• 3.4.2.2 长管实验结果及分析
• 3.4.2.3 短管实验结果及分析
• 3.5 冲击-致密微孔壁气膜绝热冷却效率实验研究
• 3.5.1 气膜绝热冷却效率传质传热类比研究方法简介
• 3.5.2 实验系统和实验件
• 3.5.3 实验结果及分析
• 3.5.3.1 局部绝热冷却效率分布特点
• 3.5.3.2 冲击高度的影响
• 3.5.3.3 吹风比的影响
• 3.5.3.4 几何结构的影响
• 3.5.3.5 实验拟合公式
• 3.6 冲击-致密微孔壁气膜侧换热系数实验研究
• 3.6.1 实验件和实验系统
• 3.6.1.1 致密微孔壁实验板结构
• 3.6.1.2 实验系统
• 3.6.2 实验结果及分析
• 3.6.2.1 换热增强系数分布特点
• 3.6.2.2 冲击高度的影响
• 3.6.2.3 主流雷诺数的影响
• 3.6.2.4 吹风比的影响
• 3.6.2.5 几何结构的影响
• 3.7 本章小结
• 第四章 冲击-致密微孔浮动壁冷却性能在燃烧室上的试验验证
• 4.1 单头部浮动壁燃烧室冷却效率试验研究
• 4.1.1 单头部浮动壁燃烧室试验件简介
• 4.1.2 试验内容
• 4.1.3 试验结果与分析
• 4.2 环形浮动壁燃烧室火焰筒壁温试验验证
• 4.2.1 测试方案简介
• 4.2.2 试验结果与分析
• 4.2.2.1 低状态试验的火焰筒壁温
• 4.2.2.2 两种测量方法火焰筒壁温比较
• 4.2.2.3 模拟设计状态火焰筒壁温
• 4.3 本章小结
• 第五章 带冲击冷却的致密微孔浮动瓦块三维壁温计算分析
• 5.1 固体壁面传热计算分析方法简述
• 5.2 ANSYS 热分析数学模型
• 5.3 计算对象和计算步骤
• 5.4 浮动瓦块热边界条件的处理方法
• 5.4.1 燃气对浮动瓦块的辐射换热
• 5.4.2 浮动瓦块对承力壳体的辐射换热
• 5.4.3 燃气与浮动瓦块的对流换热
• 5.4.4 冷却空气对浮动瓦块冷边的冲击对流换热
• 5.4.5 致密微孔小孔内对流换热
• 5.4.6 冷却气与掺混孔（或主燃孔）的对流换热
• 5.5 浮动瓦块稳态温度场计算
• 5.5.1 网格划分和边界条件处理
• 5.5.2 计算结果与分析
• 5.6 本章小结
• 第六章 总结和展望
• 6.1 研究总结
• 6.2 创新点
• 6.3 未来工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文
• 附录 A 实验误差分析
• 附录 B 模化实验相似准则推导