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摘 要

航空发动机中，随着涡轮前燃气温度的不断提高，为保证涡轮盘正常运行，需要对盘腔流动特性、传热机理以及固体变形的特性进行研究。本文采用数值模拟的方法研究了某风扇发动机涡轮盘腔及冷却气路的流动传热及变形。

首先根据实物模型建立整体涡轮盘腔的准三维和一维的数学模型及物理模型，并运用ANSYS FLUENT和FLOWMASTER两种计算流体力学软件进行数值仿真模拟。并通过对高压盘腔两种维度的速度场、温度场和压力场进行比较分析，得到冷却气对高压盘腔的冷却效果以及从准三维到一维模型降维研究的合理性，可以来一维管网模型对高压涡轮盘腔的节点温度、压力进行合理降维分析。

其次，通过具有可行性的一维管网模型研究不同因素变工况下高压涡轮盘腔的流动传热特性。结果表明：在一定范围内，增大篦齿流通面积，或保持冷却气流量在0.56kg/s时，可优化高压盘上半腔的冷却效果；高压盘转速的增加，对高压盘上半腔温度梯度影响不大，而下半腔扰动逐渐剧烈，温度梯度减小，冷却效果更加明显。

最后，通过分析涡轮盘腔温度场及速度场，在热负荷和流体冲击作用下，对最先产生固体变形的位置进行合理定位。运用GAMBIT变形模型结构，模拟仿真表明：上半腔出口部位变形加大，进入上半腔的高温燃气流量增加，对于盘腔内部冷却效果变差，壁面的热负荷增加，变形趋势将扩大；随着篦齿间隙变大，上半盘腔中心温度变化不大，在靠近高压盘壁面区域温度略有下降冷却效果提升，通过间隙的流速逐渐减小，旋涡强度也减小，对高压盘上半腔的冲击作用减弱，燃气倒灌的风险上升。

关键词：涡轮盘腔 流动传热 数值模拟 降维分析 固体变形

Study on the characteristics of flow, heat transfer and solid deformation in complex turbine cavity of Aeroengine

Abstract

In aero-engine, with the increase of gas temperature in front of turbine, it is necessary to study the flow characteristics, heat transfer mechanism and solid deformation characteristics of the turbine disc in order to ensure the normal operation of the turbine disc. In this paper, the flow heat transfer and deformation of a fan engine turbine disc cavity and cooling gas path are studied by numerical simulation.

The quasi-three-dimensional and one-dimensional mathematical model and physical model of the whole turbine disc cavity are established according to the physical model, and the numerical simulation is carried out by using ANSYS FLUENT and FLOWMASTER two kinds of computational fluid dynamics software. By comparing the velocity field, temperature field and pressure field of the two dimensions of the high-pressure disc cavity, the cooling effect of the cooling gas on the high-pressure disc cavity and the rationality of dimension reduction from quasi-three-dimensional to one-dimensional model can be obtained.

Secondly, the flow heat transfer characteristics of high pressure turbine disc cavity under different variable conditions are studied by a feasible one-dimensional pipe network model. At a certain range, the cooling effect of the upper half cavity of the high pressure disk can be optimized when the flow area of the grate teeth is increased or the cooling gas flow rate is kept at 0.56 kg/s.

Finally, by analyzing the temperature field and velocity field of the turbine disc cavity, the position of the first solid deformation is reasonably located under the action of heat load and fluid shock. By using the GAMBIT deformation model, the simulation results show that the deformation of the upper chamber outlet increases, the flow rate of high temperature gas into the upper chamber increases, the cooling effect becomes worse, the heat load on the wall increases, and the deformation trend will expand.

Key Words:Turbine cavity;Dimension reduction analysis;Solid deformation;Numerical simulation;Flow and heat transfer

目 录

摘 要 I

Abstract III

第一章 绪 论 1

1.1课题研究背景及意义 1

1.2国内外发展及研究现状 2

1.2.1国外发展及研究现状 2

1.2.2国内发展及研究现状 3

1.3本文研究的主要内容 4

第二章 数值计算的理论基础与数学模型 5

2.1引言 5

2.2 控制方程及紊流模拟 5

2.2.1雷诺平均流动和传热方程 5

2.2.2紊流模型 6

2.2.3 SIMPLE算法 6

2.3 一维管网计算方法 6

2.3.1连续方程 7

2.3.2动量方程 7

2.3.3能量方程 7

2.4.4数值算法 8

第三章 航空发动机复杂涡轮盘腔流动和传热的数值模拟 9

3.1引言 9

3.2模型建立 9

3.2.1涡轮盘腔的实际模型 9

3.2.2准三维模型建立及计算步骤 11

3.2.3 一维管网建模及计算步骤 11

3.3 边界条件及物性参数 15

3.3.1流动边界条件 15

3.3.2传热边界条件 16

3.3.3进出口边界条件 16

3.3.4高压、低压轮盘转速、温度边界条件 17

3.3.5工质物性参数 17

3.4 数值仿真与结果分析 17

3.4.1速度场分析 17

3.4.2高压涡轮盘后腔速度场分析 18

3.4.3高压涡轮盘后腔温度场分析 21

3.4.4高压涡轮盘后腔压力场分析 24

3.5 本章小结 28

第四章 航空发动机高压涡轮盘腔流动及传热特性研究 29

4.1 引言 29

4.2 一维管网模型及计算参数设置 29

4.2 不同篦齿流通面积下高压涡轮盘腔流动传热及对比分析 32

4.3 不同冷却气流量下高压涡轮盘腔流动传热及对比分析 35

4.4 不同转盘转速下高压涡轮盘腔流动传热及对比分析 39

4.5 本章小结 41

第五章 航空发动机高压涡轮盘结构的固体变形分析 42

5.1 引言 42

5.2 高压盘腔固体变形位置分析 42

5.3 高压涡轮盘上半腔出口变形对盘腔冷却效果的影响 44

5.4 篦齿封严间隙变形对盘腔冷却效果的影响 47

5.5 本章小结 49

总 结 50

参考文献 52

致 谢 55

第一章 绪 论

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