高效涡轮铸冷工作叶片冷却设计

论文摘要

涡轮叶片的冷却技术是航空发动机设计中的关键技术之一,其研究成果直接推动了传热学科的发展。虽然气膜-冲击-强化对流复合冷却技术已在涡轮叶片上广泛应用,但在日益提高冷却效果的要求下,该领域的研究仍十分活跃。现有推重比10一级的发动机涡轮进口温度达到了1800K～2000K,而推重比15～20一级发动机涡轮进口温度将达到2100K～2300K,远远超过了发动机中高温合金材料的熔点温度。目前的涡轮复合式高效冷却叶片,只能满足推重比10一级发动机的设计要求,要发展更高推力的先进航空发动机,必须开展新型高效涡轮冷却叶片设计技术的研究。本文综合分析了国内外叶片冷却技术的发展,针对推重比15～20一级发动机高压涡轮高效冷却叶片冷却设计要求,采用气膜喷淋、气膜溢流增强效应、新型狭小空间冲击-气膜等先进涡轮叶片冷却设计技术,设计了高效铸冷动叶冷却结构方案,并对方案中涉及的几个流动和传热问题开展了深入细致的研究,重点探究了:气膜冷却效率的分布规律,叶片内冷通道流动和换热特性,叶片温度分布特性。在研究中还对目前工程设计中所采用的计算气膜冷却效率和叶片内流特性的方法进行了改进,并通过试验验证了改进算法的求解精度。研究发现:1)改进的气膜冷却效率和叶片内流特性的工程计算方法提高了计算精度。2)网络法能适用于计算流道结构非常复杂的涡轮叶片内冷通道的流动特性,能较准确地计算各排冲击孔、气膜孔和尾缝的流量分配,以及冷气沿径向和弦向的压力和温度分布,计算结果与试验结果吻合较好。3)在设计流量比下,叶片中截面平均绝对冷却效果和相对冷却效果分别为860℃和0.70,达到了设计指标要求。该叶片的冷却设计接近国际上推重比15一级发动机设计水平,其冷却结构形式属国内领先。研究结果表明,本文所设计的高效铸冷动叶的冷却方案是合理、高效的,能确保高压涡轮动叶的有效冷却。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 国内外研究现状和发展趋势
• 1.1.1 国内研究现状和发展趋势
• 1.1.2 国内研究现状
• 1.2 涡轮叶片综合冷效试验研究
• 1.3 本文的主要研究内容
• 1.3.1 研究目标
• 1.3.2 研究方案
• 1.3.3 研究内容
• 第二章 铸冷动叶冷却结构方案选择
• 2.1 高压涡轮动叶冷却设计条件和主要技术要求
• 2.2 方案选择
• 2.3 所采用的冷却技术及面临的技术难题
• 2.4 小结
• 第三章 气膜冷却效率计算方法的改进及验证
• 3.1 气膜冷却效率计算方法
• 3.2 试验装置
• 3.2.1 涡轮叶栅传热风洞
• 3.2.2 叶栅实验段及实验叶片
• 3.3 叶片气膜冷却的实验结果与分析
• 3.4 气膜冷却效率计算
• 3.5 小结
• 第四章 叶片流量特性试验及流动、换热计算研究
• 4.1 叶片内冷通道网络计算数学模型
• 4.2 试验研究模型
• 4.3 计算及试验结果分析
• 4.4 小结
• 第五章 叶片冷却设计方法综合试验验证
• 5.1 叶片综合冷却效果实验方法
• 5.1.1 建立冷却效果试验关系式的实验方法
• 5.1.2 中温中压代替高温高压的试验方法
• 5.2 试验设备和试验件
• 5.2.1 试验设备
• 5.2.2 试验件
• 5.3 试验结果及分析
• 5.4 小结
• 第六章 铸冷高压涡轮动叶冷却设计
• 6.1 叶片的外部换热计算
• 6.2 叶片内部流动、换热特性计算
• 6.3 叶片温度场计算
• 6.4 小结
• 第七章 结论和展望
• 7.1 本论文研究总结
• 7.2 前景展望
• 致谢
• 参考文献
• 在学期间取得的研究成果