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涡轮叶片冷却技术是现代化航空发动机发展的关键技术之一,对发动机的研制和开发具有至关重要的作用。因此,提高现有冷却技术的冷却效果和研制新型高效的冷却技术对设计高性能发动机有着较大的推动作用和深远的影响。本文在前期研究的基础上,以航空发动机涡轮叶片冷却为应用背景,对新型超级冷却技术(NSCT)的冷却特性展开了深入细致地研究。 首先,对旋转条件下封闭通道内流体热驱动换热进行了理论分析,并结合该技术自身特点,推导出换热一般解的函数关系。分析表明旋转条件下新型超级冷却技术的主要影响因素为浮力数、旋转雷诺数以及几何参数等。 其次,分别以两种液体H2O和R12为热驱动介质,对旋转条件下简单矩形通道内流体的热驱动换热特性进行了实验研究,以掌握各因素对热驱动换热的影响规律。结果表明:随着浮力数Bu、旋转雷诺数Reω的增加,流体的热驱动换热明显增强。依据实验数据建立的旋转条件下封闭通道内流体热驱动换热准则关系式反映了各因素对热驱动换热的影响。通过比较相同条件下H2O与R12的热驱动换热强度,揭示了热驱动介质的热物性对新型超级冷却技术的换热具有显著的影响。 在简单矩形通道的基础上,结合涡轮叶片冷却结构,设计了带冷却通道的模型试验件,并对该模型的新型超级冷却技术的冷却特性进行了实验研究。结果表明,在本文实验条件下,随着浮力数Bu、旋转雷诺数Reω、冷气雷诺数Rez的不断增大,带冷却通道的新型超级冷却技术平均冷却效果显著增强。由实验结果建立了新型超级冷却技术换热准则关系式,从而获得三个参数对平均冷却效果的影响程度,即冷气雷诺数影响最大,旋转雷诺数次之,浮力数影响最小。 本文对带冷却通道的新型超级冷却技术进行了相关的数值模拟,由流场和温度分布,揭示了封闭通道内流体的热驱动流动和换热规律。由数值计算结果分析新型超级冷却技术的冷却特性,得到的数据与实验结果有较好的吻合性。 本文同时对旋转条件下常规的两种涡轮叶片冷却方式-粗糙肋强化冷却和冲击冷却的平均冷却效果进行了实验研究,并将实验结果与相同工况下新型超级冷却技术的平均冷却效果进行比较,获得了在实验范围内,新型超级冷却技术比另外两种冷却方式具有更优冷却效果的结论。 通过实验研究和数值模拟可知,新型超级冷却技术具有较好的冷却效果。与机理研究相比,带冷却通道的新型超级冷却技术模拟了涡轮叶片冷却,使新型超级冷却技术的研究向工程应用方向前进了一步。因此,新型超级冷却技术具有较宽广的应用前景和较大的潜在价值,有望在涡轮叶片冷却设计中得到应用。