无导叶对转涡轮高压级动叶换热特性的研究.doc

无导叶对转涡轮高压级动叶换热特性的研究由于在提高推重比等方面的潜在优势,无导叶对转涡轮将会在未来高性能推进系统中发挥重要作用。根据气动布局特征,无导叶对转涡轮高压级具有高负荷和高反力度的特点,在此情况下,气流在高压级动叶内的膨胀程度很高,出口相对马赫数会达到1.3-1.5,动叶叶道内气流的高加速性以及与之相关的激波结构势必会对动叶表面的换热特性产生重要影响。为了研究无导叶对转涡轮高压级动叶的换热特性,本文研制了适用于旋转测量的双面薄膜式热流计,组建了高速旋转动态测量系统,并发展了相应的薄膜式热流计设计和旋转测量方法。在上述工作基础上,本文依托于中国科学院工程热物理研究所(IET)短周期涡轮试验台开展了对全尺寸无导叶对转涡轮试验件的高速旋转换热试验,并结合试验结果和CFD对无导叶对转涡轮高压级动叶在不同进口雷诺数下的换热特性进行了研究。本文涉及的主要研究内容及结论如下:1.系统的分析了薄膜式热流计薄膜厚度对热流计性能的影响,分析表明膜厚增加有利于提高信噪比,但是会导致高频热流结果所被引入的不确定度增大。本文提出了一种基于系统辨识理论的动态标定方法,能够有效降低薄膜厚度增加对高频热流结果所造成的影响。2.基于磁控溅射技术研制了双面薄膜式热流计,并形成了完整的设计、制造和标定方法,同时基于数字遥测技术组建了高速旋转动态测量系统,并在此基础上发展了适用的旋转测量方法。实践表明整个旋转测量系统运行可靠,各项参数均能够满足实际应用需求。3.基于全尺寸高速旋转换热试验结果和CFD对无导叶对转涡轮高压级动叶的静态换热特性进行了分析,发现吸力面气流加速极快,局部加速系数K会超过3×10-6,此时边界层具备"再层流化"的条件。在气流的强加速性下,动叶叶表边界层在吸力面大部分区域维持为层流边界层,这导致吸力面叶表换热从前缘开始随着边界层增厚而不断降低。在吸力面后半段,相邻叶片尾缘投射的斜激波与叶表发生干涉而致使边界层分离,这直接促成边界层由层流转捩为湍流,即发生"分离转捩",此时叶表换热会急剧升高。同时,随着进口雷诺数增加,吸力面表面的换热会整体增强,尤其对于分离转捩之后的湍流边界层,换热的增强效应更加明显。4.基于全尺寸高速旋转换热试验结果对无导叶对转涡轮高压级动叶的动态换热特性进行了研究,发现在吸力面前半段,叶表换热随着上游导叶排尾迹的通过会呈现出明显的周期性脉动现象。随着尾迹向下迁移,尾迹所引起的局部湍流区逐渐变宽,叶片后半段换热会因尾迹而持续得到增强,但周期性脉动现象会得到减弱。在吸力面后半段,叶片表面的换热除了受上游尾迹的影响外,还会受到下游叶排的影响。同时,随着进口雷诺数的增加,吸力面叶表非定常换热的脉动幅值会整体降低。