题目：新型涡轮叶片内部冷却结构的流动与换热研究

提高涡轮前燃气温度和增压比可以大幅度改进发动机的性能，因此现代航空发动机的涡轮前燃气温度和增压比一直在不断提高，这使得涡轮等高温部件的工作环境越来越恶劣。为保证涡轮工作叶片安全可靠的工作，必须采取有效的冷却措施。尽管现代发动机叶片内冷结构设计已经达到了很高的设计水平，但是为了应对涡轮前温度持续增高的挑战，继续挖掘内冷结构的潜力，使涡轮叶片的温度水平和分布更加合理，仍有许多基础的科学和技术问题需要进一步深入研究。作者首先从流动与换热的角度，审视了现有某一典型的先进涡轮叶片内冷结构，发现了该典型结构中可能存在的换热问题：尾缘扰流柱通道中由于叶尖或叶根的冷气不断从尾缘劈缝流走，使扰流柱排中部区域流量分配不均匀，叶片中部局部地区冷却较弱，导致这一问题的主要原因在于进气方式和隔板结构。针对这一问题，本文开展了详细的前期探索研究，基于这些结果，提出了一种创新的以波形隔板为主要特征的涡轮叶片尾缘内部冷却结构，并以模型实验和数值计算的方法对该结构进行了不同层次的研究。本文首先研究了进气结构对原有典型内冷涡轮叶片尾缘区域流动与换热的影响，将两腔进气改为单腔进气，改变隔板顶端折转穿流的形式，将隔板沿叶高向上延伸至叶尖，在隔板上沿径向开多个穿流孔，使第1通道中的流量不是一次性的通过顶端流入第2通道，而是沿程不断从隔板上的多个穿流孔流入第2通道，在第2通道形成相对均匀的射流冲击作用；然后将直隔板设计成波形结构，在波峰、波谷处开穿流孔，波形隔板在第1通道中形成收缩和扩张通道，使第1通道中的流体在不断的收缩和扩张流动中，扰动可能会进一步增大，从而增强换热，与直隔板结构相比，波形隔板上相邻两孔间的夹角小，由射流角形成的孔间换热弱区可能相对减小。针对所提出的改进方案，采用液晶测温方法，对通道内壁面换热特性进行了分析，并通过流动显示方法对通道内的流场进行了研究。实验结果表明，在隔板上开多个穿流孔和把直隔板设计成波形隔板的思想，对于通道壁面的整体温差和平均温度都有所降低，同时均匀程度也得到了提高。波形隔板在第1通道中形成变截面通道，使其中的流体在沿径向流动的过程中，速度和压力不断改变，在波谷处截面扩张，速度降低，静压增大；在波峰处截面收缩，速度增加，静压减小，流体掺混强烈，从而增强换热。在隔板沿程开孔，对于第1通道，穿流孔穿流使孔附近的压力和速度发生变化，破坏孔附近的附面层；对于第2通道，沿程多个穿流孔射流冲击，与传统的隔板顶端穿流结构相比，流量分配均匀，整体平均温度也得到降低。在以实验数据对数值计算方法进行了验证的基础上，对波形隔板结构的波形、孔径等参数进行优化研究。结果表明，对于波形，折角越小，相当于波形通道截面变化越大，换热效果越好，但同时流阻增大；对于隔板上穿流孔的孔径，孔径变大，在入口流量一定的情况下，射流作用减小，换热减弱，同时流阻也降低很多，孔径变小，射流作用增强，但流阻增加了很多。最后对本文的研究成果进行了集成，针对某一假想发动机的高压涡轮叶片，提出了一种全新的现有材料工艺即可满足要求的冷却方案。并通过对该冷却结构叶片进行总体冷效评估，得到的结论认为，该方案针对原型高压涡轮叶片的特点，经过精细设计，使得在不增加冷气的基础上，不但叶片温度有显著降低，而且达到了精确控制温降分布的目标。