渦輪外環(huán)塊冷卻結構流動和換熱特性研究.pdf

1、渦輪外環(huán)塊作為隔絕高溫燃氣沖刷、保持機匣結構完整性的重要部件，其冷卻結構設計直接關系到發(fā)動機工作的可靠性。本文以某型發(fā)動機高壓渦輪外環(huán)塊為研究對象，利用數(shù)值模擬和試驗研究相結合的方法，對渦輪外環(huán)塊冷卻結構的內部流場結構、壓力損失、燃氣側表面溫度和氣膜絕熱冷卻效率展開了分析，重點研究了復雜冷卻通道中冷卻空氣的運動特征、渦輪外環(huán)塊燃氣側氣膜絕熱冷卻效率隨吹風比、氣膜孔直徑、氣膜孔排布方式等參數(shù)的變化規(guī)律。
　　論文首先利用三維數(shù)值模擬

2、方法，針對某型發(fā)動機高壓渦輪外環(huán)塊的基準冷卻方案開展的計算，獲得了典型設計狀態(tài)下外環(huán)塊復雜冷卻結構中的空氣運動特征，得到了典型冷卻單元的流動損失參數(shù)。同時考慮渦輪葉尖間隙泄漏流所導致的燃氣運動方向偏轉，進一步研究了高溫燃氣進氣角度對燃氣側氣膜覆蓋及冷卻效果的影響。研究中發(fā)現(xiàn)，高溫燃氣進氣角度顯著影響了外環(huán)塊燃氣側的氣膜出流特征，在基準設計方案中燃氣為負-60°偏角進氣獲得面平均絕熱氣膜冷卻效率最高。
　　在此基礎上，重點針對燃氣側

3、氣膜冷卻結構，利用了正交工況設計法，計算了氣膜孔直徑、孔流向間距、孔展向間距等參數(shù)綜合影響下的氣膜絕熱冷卻效率。計算結果表明，在吹風比M<2時，孔徑0.8mm，孔展向間距（S）為7mm、孔流向間距（P）保持不變，間隔排布方式冷卻結構的平均絕熱冷卻效率最高。而對于吹風比M=2.0時，孔徑0.6mm，孔展向間距保持不變，孔流向間距為7，間隔排排布的冷卻結構平均絕熱冷卻效率最高。正交試驗結果的敏感性分析說明在計算工況范圍內氣膜孔直徑是影響氣膜

4、平均冷卻效率的主要因素，而氣膜孔展向間距僅次之，而氣膜孔弦向間距在本文研究的工況中影響最小。
　　在數(shù)值模擬的基礎上，本文針對外環(huán)塊燃氣側的氣膜冷卻結果開展了試驗研究。重點分析了氣膜孔平均流量系數(shù)Cd隨吹風比M（0.6～2.0）、主流雷諾數(shù)Re∞（150000～250000）、氣膜孔雷諾數(shù)Rej（5000～13500）等參數(shù)的變化規(guī)律。試驗中發(fā)現(xiàn)主流、氣膜孔雷諾數(shù)不變時，流量系數(shù)隨著吹風比的增大而增加，當吹風比較大的工況下該趨勢逐