基于無源渦流調(diào)控高效強化換熱技術(shù)的冷卻系統(tǒng)

作品名稱：基于無源渦流調(diào)控高效強化換熱技術(shù)的冷卻系統(tǒng)大類：科技發(fā)明制作A類小類：機械與控制簡介：本作品以航空發(fā)動機中最易損壞的渦輪葉片為對象，提出了一種基于無源渦流調(diào)控強化換熱技術(shù)的高效冷卻結(jié)構(gòu)，通過綜合冷效試驗，實現(xiàn)了相同冷卻空氣量下葉片工作溫度提高100K、冷卻結(jié)構(gòu)絕對溫降超600K的目標(biāo)，達到國外同推重比量級發(fā)動機中先進高壓渦輪葉片冷卻技術(shù)水平，絕對溫降指標(biāo)處于國內(nèi)領(lǐng)先。本作品還可應(yīng)用于大功率雷達等裝置的熱端部件冷卻設(shè)計。詳細(xì)介紹：基于無源渦流調(diào)控高效強化換熱技術(shù)的冷卻系統(tǒng)是集高效流場控制技術(shù)、新型強換熱冷卻技術(shù)、先進加工工藝于一體的綜合工業(yè)技術(shù)產(chǎn)品。本作品在沒有增加現(xiàn)有冷卻結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，不需要消耗外部附加能源的前提下，通過改變渦輪葉片內(nèi)部冷卻結(jié)構(gòu)，綜合利用冷卻腔室空間受限、曲率表面、斜向沖擊、氣膜出流及旋轉(zhuǎn)等多種模式來調(diào)控渦流，精細(xì)組織流場結(jié)構(gòu)，利用渦流的局部脈動和宏觀遷移來提高冷卻效果，實現(xiàn)了相同冷卻空氣量下葉片工作溫度提高100K、冷卻結(jié)構(gòu)絕對溫降超600K的目標(biāo)。【研究背景】航空發(fā)動機是在高溫、高壓、高速旋轉(zhuǎn)等惡劣環(huán)境條件下長期穩(wěn)定和可靠工作的復(fù)雜熱動力機械，是知識、技術(shù)高度密集的軍民兩用產(chǎn)品，被譽為“工業(yè)皇冠上的明珠”和飛行器的“心臟”，它主要由壓氣機、燃燒室、渦輪及尾噴管等部件組成。工作時，進入發(fā)動機的氣流經(jīng)壓氣機逐級壓縮后變?yōu)楦邏簹怏w，再進入燃燒室吸收燃油燃燒后的熱能成為高溫高壓燃?xì)?，隨后進入渦輪膨脹并推動渦輪葉片做功，燃?xì)獾母邷馗邏耗芰恳徊糠钟糜隍?qū)動渦輪并帶動壓氣機，另一部分能量通過噴管高速向后噴出。顯然渦輪葉片作為熱能和機械能轉(zhuǎn)換的重要部件，承受著循環(huán)中最高的燃?xì)鉁囟龋ǜ邏簻u輪導(dǎo)向葉片）、最高的旋轉(zhuǎn)速度（高壓渦輪工作葉片），其失效幾率遠(yuǎn)高于發(fā)動機其它部件。據(jù)統(tǒng)計，現(xiàn)代高性能航空發(fā)動機故障中有60%以上和渦輪葉片有關(guān)。隨著美國第四代（推重比10一級）先進軍用航空發(fā)動機的出現(xiàn)，渦輪進口溫度已接近1700℃，先進民用航空發(fā)動機渦輪進口溫度也達到了1450℃以上的溫度。就渦輪葉片使用材料而言，鎳基高溫合金葉片能承受的環(huán)境工作溫度大約在900℃左右，單晶葉片長期安全工作極限溫度為1100℃，而新型耐高溫材料（如C/C復(fù)合材料、陶瓷基復(fù)合材料等）的研制進展尚難以滿足工程實用要求，因此必須依靠冷卻技術(shù)來保證渦輪的安全工作。航空發(fā)動機渦輪葉片冷卻結(jié)構(gòu)主要包括有沖擊、氣膜、擾流柱/肋等組合形成的復(fù)合冷卻，通過壓氣機引入冷卻空氣進入葉片內(nèi)部（葉片內(nèi)部為中空結(jié)構(gòu)），利用沖擊射流來冷卻葉片內(nèi)表面，加入擾流柱/肋增強擾動來進一步提高葉片內(nèi)表面換熱系數(shù)，應(yīng)用氣膜冷卻將冷卻空氣抽吸到葉片外表面并形成一層冷氣薄層，有效隔絕高溫燃?xì)鈱θ~片外表面的沖刷。采用這種復(fù)合冷卻結(jié)構(gòu)，基本上可以滿足第三代航空發(fā)動機渦輪葉片冷卻設(shè)計需求（高溫燃?xì)夂腿~片材料溫限之間的絕對溫降達到400K~500K），但是耗用冷卻空氣量大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、冷卻潛力小，發(fā)動機設(shè)計中已經(jīng)不允許通過繼續(xù)增加冷卻面積、提高冷卻空氣用量的方法來進一步提升冷卻效果。目前出現(xiàn)了“脈沖射流”、“自耦合激振”等新概念強化換熱技術(shù)，有效提高了局部冷卻效果，但是需要外部附加能量（有源強化換熱技術(shù)），導(dǎo)致其在航空發(fā)動機渦輪葉片冷卻設(shè)計中應(yīng)用難度大，遲遲無法進入工程應(yīng)用階段。因此發(fā)展第四代軍用航空發(fā)動機以及高經(jīng)濟性民用航空發(fā)動機中，迫切需要一種無源（無需外部附加能量）的新型強化換熱技術(shù)，來有效提高渦輪葉片的工作耐溫極限，提升冷卻結(jié)構(gòu)的絕對溫降，或者達到冷卻空氣減小，提高燃油經(jīng)濟性的效果?！狙芯績?nèi)容】（1）新型強化冷卻結(jié)構(gòu)構(gòu)思和概要設(shè)計：走訪了多個航空發(fā)動機設(shè)計所和制造商，進一步深入了解了我國現(xiàn)有渦輪葉片復(fù)合冷卻結(jié)構(gòu)，特別是對存在的問題有了更深刻的理解和認(rèn)知。受到工業(yè)設(shè)備和生活中常見的流體渦旋現(xiàn)象啟發(fā)，提出了利用渦流來強化換熱的基本設(shè)想。通過數(shù)值模擬初步表明可以在渦輪葉片內(nèi)部，利用渦流的局部擾動和宏觀遷移達到強化換熱的目的。在此基礎(chǔ)上，具體結(jié)合航空發(fā)動機渦輪葉片實際結(jié)構(gòu)和工作特點，形成了基于無源渦流調(diào)控強化換熱技術(shù)的冷卻結(jié)構(gòu)概要設(shè)計方案。（2）無源渦流調(diào)控方法研究：①針對航空發(fā)動機中大量采用的沖擊冷卻結(jié)構(gòu)進行局部改進，設(shè)計出帶角度沖擊曲率表面和分段受限沖擊冷卻結(jié)構(gòu)。利用煙線法開展了流場結(jié)構(gòu)顯示，清晰地捕獲到氣體在曲率表面和受限空間中的運動軌跡、渦系結(jié)構(gòu)及在空間的動態(tài)演化規(guī)律。通過改變沖擊角度、沖擊腔表面曲率、受限結(jié)構(gòu)、沖擊Re數(shù)等參數(shù)，建立了渦流出現(xiàn)位置、作用范圍和遷移軌跡的變化規(guī)律，形成了相應(yīng)的渦流控制方法。②在此基礎(chǔ)上，利用PIV激光粒子示蹤技術(shù)，進一步研究了分段受限沖擊腔中引入氣膜冷卻結(jié)構(gòu)后流場結(jié)構(gòu)。通過空氣中高度跟隨的示蹤粒子對光線散射、反射和衍射作用，演算出觀測域中每一點上空氣運動的速度大小、方向和湍流脈動量等參數(shù)，以及整個流場中渦流特征。研究中改變分段沖擊腔高度、沖擊孔和氣膜孔相對位置關(guān)系等參數(shù)，分析冷卻通道內(nèi)氣體運動特性的變化規(guī)律，重點探究了渦流結(jié)構(gòu)的發(fā)生和空間演化特性。研究中發(fā)現(xiàn)，由于氣膜孔對冷卻通道內(nèi)冷卻介質(zhì)的抽吸作用，使得流線在氣膜孔附近發(fā)生偏轉(zhuǎn)，一方面在氣膜孔附近產(chǎn)生了很多細(xì)小的渦流，形成溢流效應(yīng)并強化氣膜孔附近的換熱效果，另一方面會改變受限通道中沖擊形成的大尺度渦流特征，影響了渦流的空間分布和渦強度。因此通過合理設(shè)置受限空間中氣膜孔和沖擊孔相對位置，能夠有效調(diào)控冷卻腔中不同尺度的渦流，達到流場精細(xì)化設(shè)計的要求。③除此以外，還利用數(shù)值模擬針對渦輪葉片旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下開展了研究，細(xì)致分析了旋轉(zhuǎn)效應(yīng)對流場結(jié)構(gòu)的影響。計算中采用近壁區(qū)低Re數(shù)修正的k-ω模型，考慮在離心力影響下空氣密度改變形成的浮升力，對不同沖擊角度、受限空間尺寸以及旋轉(zhuǎn)速度下冷卻腔中流場結(jié)構(gòu)進行了詳細(xì)分析。研究中發(fā)現(xiàn)在旋轉(zhuǎn)所引發(fā)的哥氏力和衍生的浮升力共同作用下，氣膜孔出流后會在葉片表面發(fā)生偏轉(zhuǎn)，同時沖擊射流會在哥氏力影響下明顯彎曲。研究結(jié)果表明，合理的設(shè)計冷卻空氣運動速度和旋轉(zhuǎn)軸之間的夾角，能夠控制冷卻腔內(nèi)氣流運動的偏轉(zhuǎn)程度，利用不同位置形成的逆壓力梯度調(diào)節(jié)渦流的產(chǎn)生位置及強度，進而實現(xiàn)渦流的有效控制。綜合上述研究，本作品建立了無源渦流調(diào)控的基本方法和實施模式，并利用多種流場顯現(xiàn)和測試技術(shù)，對調(diào)控后渦流結(jié)構(gòu)和空間演化規(guī)律開展了研究，驗證了無源渦流調(diào)控的技術(shù)可行性和基本實施效果。（3）無源渦流調(diào)控強化換熱效果研究：①利用熱膜法，針對受限空間內(nèi)沖擊射流開展了局部換熱系數(shù)試驗研究，重點分析沖擊間距減小后，沖擊靶板表面局部Nu數(shù)的變化規(guī)律。研究中發(fā)現(xiàn)由于沖擊間距的減小，嚴(yán)重限制了沖擊射流的空間發(fā)展，在沖擊滯止點高壓區(qū)域?qū)怏w加速推動影響下，沖擊靶板在滯止點1.5倍沖擊孔直徑范圍內(nèi)換熱效果明顯提升，同時由于受限空間沖擊渦流的產(chǎn)生，使得靶板上滯止點3倍沖擊孔直徑范圍內(nèi)局部Nu數(shù)均顯著提升。②針對基于無源渦流調(diào)控思想的受限空間沖擊/氣膜復(fù)合冷卻結(jié)構(gòu)開展了試驗研究，探究了氣膜孔抽吸作用對沖擊靶板表面換熱效果的影響。研究中在氣膜孔、沖擊孔中心投影區(qū)域附近埋設(shè)了多個熱電偶，采用電加熱厚度為0.1mm的康銅膜來模擬等熱流加熱邊界，通過測量靶板上熱電偶溫度和冷卻空氣溫度間差異得到對應(yīng)的局部換熱系數(shù)。試驗中發(fā)現(xiàn)沖擊孔和氣膜孔間距過小時，冷卻空氣無法形成渦流結(jié)構(gòu)，并且在未和固體表面充分換熱的情況下被抽吸出流動通道，導(dǎo)致冷卻腔中沖擊靶板的換熱效果明顯下降。當(dāng)兩者相距過大時，受限空間內(nèi)產(chǎn)生的沖擊渦流無法和氣膜孔抽吸作用相互補充，其強化換熱疊加效應(yīng)減小。試驗結(jié)果表明沖擊孔和氣膜孔間距處于3-5倍沖擊孔直徑范圍內(nèi)時，受限空間沖擊/氣膜復(fù)合冷卻結(jié)構(gòu)中沖擊靶板的換熱效果達到最佳。③在此基礎(chǔ)上，分別通過測量渦流接觸表面的熱流密度及局部換熱系數(shù)，本作品進一步深入分析了渦流攜帶能量的能力。試驗中在沖擊孔板兩側(cè)埋設(shè)熱電偶，通過測量溫度獲得通過沖擊孔板的熱流量，將該值和沖擊靶板上加熱膜產(chǎn)生的熱量相比，來表征渦流攜帶能量的能力。試驗結(jié)果表明，在渦流控制的前提下，沖擊靶板上電加熱產(chǎn)生的熱量中，渦流可利用宏觀遷移運動攜帶走高達20%的份額。研究中發(fā)現(xiàn)，采用渦流調(diào)控后，在沖擊孔板上沖擊孔中心4.5~6倍沖擊孔直徑區(qū)域內(nèi)均存在明顯的強化換熱效果。綜合上述研究，本作品提出了基于無源渦流調(diào)控強化換熱技術(shù)的渦輪葉片高效冷卻結(jié)構(gòu)——在渦輪葉片的頭部采用沖擊曲率表面加氣膜冷卻，利用表面曲率、沖擊傾角和氣膜抽吸作用實現(xiàn)無源渦流調(diào)控；在葉片弦中區(qū)采用分段受限沖擊/氣膜，利用冷卻通道受限、氣膜抽吸實現(xiàn)無源渦流調(diào)控；在葉片尾緣仍采用常規(guī)的擾流柱強化冷卻結(jié)構(gòu)。（4）基于無源渦流調(diào)控強化換熱的高效冷卻結(jié)構(gòu)效果驗證：①首先對弦中區(qū)應(yīng)用的分段受限沖擊/氣膜進行了試驗研究，重點分析該冷卻結(jié)構(gòu)的綜合冷卻效果。采用大功率電加溫器加熱空氣來模擬高溫燃?xì)猓O(shè)計和加工出1：1的分段受限沖擊/氣膜平壁模型試驗件，利用紅外成像技術(shù)測量試驗件表面溫度，結(jié)合冷卻空氣溫度得到試驗件模型的綜合冷卻效果。試驗結(jié)果表明利用較少的冷卻空氣用量就可以實現(xiàn)綜合冷卻效果超過0.7，某些工況下甚至達到0.8（現(xiàn)有高壓渦輪葉片復(fù)合冷卻結(jié)構(gòu)綜合冷卻效果處于0.6~0.7之間）。②在此基礎(chǔ)上，利用三維CFD數(shù)值模擬技術(shù)對對高效冷卻結(jié)構(gòu)內(nèi)部流動和換熱特性開展計算分析，重點仿真發(fā)動機實際工況下該高效冷卻結(jié)構(gòu)的綜合冷卻效果。研究中通過對8種方案的細(xì)