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涡轮是航空发动机中重要的热端部件,它既承受高频、高幅变化的高温、高压燃气冲击,又承载着较高的气动负荷水平,深入地开展涡轮热痕管理研究与应用将是突破我国航空发动机热端部件技术障碍的重要途径之一。
本文根据理论研究及所承担课题的需要,自主开发了针对涡轮热痕管理技术的定常和非定常气动并行计算程序MpiTurbo。该程序基于Linux操作系统平台,采用Fortran90语言结合MPI消息传递接口编写而成,能够考虑任意的热痕/叶片数比,能够考虑涡轮冷却气,具有灵活的可拓展性和较高的并行计算效率。
在缘线匹配技术的指导下,以MpiTurbo并行计算程序为工具,针对涡轮热痕管理中的多个影响因素及其作用规律进行了数值研究。
首先,针对热痕与涡轮各排叶片数目比(热痕:高压静叶:高压动叶:低压静叶)为1∶1∶2∶1的情况,较为系统地分析了涡轮进口热痕的温度分布形式、周向位置、展向位置、温度比、尺寸以及高压静叶与低压静叶的时序位置等因素对热痕在涡轮中的迁移行为的影响规律。结果表明,涡轮进口热痕的迁移行为存在着较强的规律性,并直接地影响了涡轮内温度分布。
然后,考虑到叶片通道间的相互影响及热痕周向相对位置不一致等因素可能带来的影响,针对热痕与涡轮各排叶片数目比为4∶5∶10∶5的情况,进一步分析了上述影响因素对热痕迁移和涡轮温度分布的作用规律。结果表明,多通道情况下,热痕在涡轮中迁移的总体趋势与单通道情况基本一致,而涡轮低压静子温度分布与单通道的情况相比存在诸多不同之处。
最后,结合热痕在涡轮中的迁移行为以及涡轮内部温度的分布特征,采用源项模拟方法对涡轮高压转子叶片应用气膜冷却防止过热的效果进行了初步评估,并发现非定常与定常模拟结果存在显著差异,揭示了非定常数值计算在气膜冷却方案设计中的必要性。
本文工作不仅提供了高效的涡轮热痕管理和冷却气孔布局分析工具,也对热痕/涡轮叶排以及热痕/冷却气的相互作用机理有了较为深入的认识,向着掌握涡轮热痕管理和冷却布局设计技术迈进了一步。