高温高转速下涡轮叶片内部复杂冷却通道流动与换热机理研究

This proposal mainly studies the mechanism of flow and heat transfer of typical cooling structures (ribbed and U-shaped channels) in turbine blades. By measuring the flow and heat transfer characteristics in the typical cooling structure under the rotating conditions, the mechanism of Coriolis force and buoyancy force is revealed. Then using the mechanism to form the asymmetric cooling structure design methods. The experimental data can be also used to establish a turbulence model with rotating-correction, which can improve the accuracy of CFD simulation under rotating conditions. And the achievements can provide a solution to the local ablation of the turbine blades. .The main work of this proposal includes: experimental study of the flow and heat transfer characteristic in a rotating ribbed channel, experimental study of the flow and heat transfer characteristic in a rotating U turn channel, study and verification of the turbulence model with rotating-correction based on SST turbulence model, and optimization design of asymmetrical cooling structure in turbine blades. The innovations of this proposal include: revealing the coupling mechanism of Coriolis force and buoyancy force in the rotating channel with flow fields, developing a new turbulence model with rotating-correction based on the rotating boundary layer flow data, which can improve the accuracy of the CFD simulation at rotating conditions. The work is carried out on the basis of the applicant's doctoral thesis and has a good research foundation.

本申请主要针对航空发动机涡轮旋转叶片内冷通道典型冷却结构（带肋通道和U型通道）中的流动传热特性开展研究，通过测量旋转状态下典型冷却结构内的流动和换热特性，揭示旋转状态下复杂结构中哥氏力与浮升力耦合作用机理；利用该机理形成适合于涡轮叶片的非对称冷却结构设计方法；实验数据能够建立旋转修正计算方法，提高叶片设计精度，为发动机叶片局部烧蚀问题提供解决方案。.该申请的主要研究内容包括：旋转带肋直通道内主流、二次流、边界层流动及换热特性实验研究、旋转U型通道内转弯段主流、二次流、边界层流动及换热特性实验研究、考虑入口段影响的sst湍流模型旋转修正方法研究以及涡轮叶片内部非对称冷却结构设计方法研究；核心创新点包括：揭示复杂通道内哥氏力和浮升力耦合作用机理、建立适用于涡轮叶片的旋转数值计算方法、形成涡轮旋转叶片内部非对称冷却结构设计方法。其工作是在申请人博士课题的基础上开展的，具有良好的研究基础。

涡轮叶片冷却技术是保障航空发动机安全稳定运行的关键。带肋通道冷却技术是涡轮转子叶片内部常用冷却方式。由于其工作在高温、高压、高转速条件下，如果冷却不当，将会导致叶片烧蚀，造成机毁人亡。因此深入研究高温高转速下的涡轮叶片内部复杂结构中的流动和换热规律，揭示旋转哥氏力和浮升力的耦合作用机理，具有重要的科学意义。本项目通过实验研究了旋转状态下带肋直通道、U通道内主流、二次流、边界层流动换热特性，并开展了适合于涡轮叶片内部冷却的考虑入口段影响的SST湍流模型旋转修正方法研究及验证，最后结合上述内容优化涡轮叶片内部冷却结构，形成非对称冷却结构设计方法，支撑了涡轮叶片冷却设计。对于旋转带肋直通道，研究发现旋转产生的哥氏力显著影响通道内流动，旋转数会让主流偏向后缘面，前缘面回流区变大，再附点随之后移，而后缘面情况则相反，并且该趋势会沿程加剧。旋转还会导致前缘面附近雷诺切应力变弱，后缘面变强，往下游雷诺切应力极值也会增加。对于U通道，研究发现随着旋转数增加，不同转弯段的两个面换热均增强，径向出流段前缘面换热减弱，后缘面换热增强；径向入流段则与出流段规律相反。内方外方通道压力损失最大，内圆外方通道次之，内圆外圆通道最小。三通道综合换热因子均随转速增大而呈现增大趋势，且内方外圆模型最高，比内圆外圆模型高出9.6％，比内方外方模型高出17.8％。对于修正SST湍流模型，通过与多种方法对比，发现使用SST模型旋转修正方法修正后的计算结果最接近真实流场，仿真误差相比修正前平均降低19.5%，比传统修正方法额外修正6.2%误差，与真实流场仿真结果相差约5%。此外其具有更高收敛性，适用于工程面对的复杂几何条件。对于冷却结构非对称设计，其本质就是必须在内部冷却通道前后缘面设置非对称换热结构，将冷却能力按需分配，本项目针对典型的涡轮旋转叶片内部带肋通道，完成了非对称冷却结构优化设计，优化后前缘面换热增强约20%，支撑了我国航空发动机涡轮转子叶片冷却设计。