透平叶栅环境下气膜冷却流动传热机理研究

发布时间：2017-10-30 09:28

  本文关键词：透平叶栅环境下气膜冷却流动传热机理研究

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【摘要】：气膜冷却是当代燃机透平冷却的重要手段,随着透平负荷的增加,透平叶片中的压力梯度及流动折转也越来越强,这使得气膜冷却与透平流动环境间具有愈来愈强的相干性。准确预测透平复杂环境下气膜冷却的传热及流动特性显得愈发重要。本文将透平环境抽象模化为曲率及压力梯度两个参数,针对这两个参数对气膜冷却流动传热特性的影响规律及其机理开展了一系列实验、理论及数值研究,并基于此发展得到了考虑曲率及压力梯度的气膜冷却有效度一维修正方法。压力敏感漆(PSP)技术是气膜冷却传热特性测量的主要技术手段,针对PSP技术的误差分析表明,在系统误差方面,其主要包含传热传质比拟所造成的误差及实际应用中由于多元传质所带来的误差这两个方面。气膜冷却由对流主导,传热传质比拟原理基本成立,误差较小。而PSP测量绝热气膜冷却有效度随机误差较小,本文绝大多数工况下随机误差小于10%。以透平模化参数下的气膜冷却有效度实验结果为基础,研究曲率及压力梯度对不同孔型气膜冷却有效度的影响规律及其机理。结果发现,曲率及压力梯度通过改变气膜冷却的吹离特性,流向耗散及侧向扩散特性改变气膜冷却传热表现。而其综合作用表现为:对于无复合角圆孔,当动量比小于某特定数值时凸面有效度最高,而高于该点时,则反之,流向顺压会增大该点数值,实验工况范围内该判定点的取值范围为0.55-0.75;对于复合角气膜冷却,凸面气膜冷却在所有吹风比下有效度均最高;扇形孔气膜冷却在弯曲表面上均不及平板情况。基于各参数的影响规律,通过理论分析,提出了吹离修正系数、流向耗散修正系数和侧向扩散修正系数这三个曲率及压力梯度对气膜冷却有效度的影响系数,获得了一套适用于无复合角圆孔、复合角圆孔和扇形孔的统一曲率及压力梯度修正方法。该方法定量预测精度高,在适用工况范围内,对于绝大多数情况,其预测相对误差小于10%,并且稳定性好。完成了不同流动工况,不同孔型全叶片气膜冷却有效度实验,进一步验证了曲率及压力梯度修正方法在实际叶片气膜冷却有效度预测中的有效性。针对透平环境下气膜冷却的气动特性,在评价气膜冷却气动损失时,高吹风比气膜射流带入的动量较大,其影响不能忽略,需要采用考虑射流总压的动能损失系数作为评价参数。气膜冷却动能损失系数随着吹风比的增大而增大。主流顺压能够减小气膜冷却气动损失,而复合角则会较大幅度提高气膜冷却气动损失。
【关键词】：燃气轮机 气膜冷却 曲率 压力梯度 经验公式
【学位授予单位】：清华大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TK471
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-10
• 主要符号对照表10-14
• 第1章 引言14-38
• 1.1 课题的背景及意义14-21
• 1.1.1 燃气轮机及其冷却技术14-18
• 1.1.2 透平叶片气膜冷却18-20
• 1.1.3 气膜冷却与透平主流的交互作用20-21
• 1.2 透平叶栅环境气膜冷却特性21-32
• 1.2.1 气膜冷却流动传热机理21-25
• 1.2.2 透平叶栅环境气膜冷却传热特性25-27
• 1.2.3 曲率及流向压力梯度对气膜冷却传热特性的影响27-31
• 1.2.4 透平叶栅环境气膜冷却气动特性31-32
• 1.3 气膜冷却的研究方法32-36
• 1.3.1 实验手段32-34
• 1.3.2 经验公式34-35
• 1.3.3 数值模拟35-36
• 1.4 本文的研究目的和主要内容36-38
• 1.4.1 研究现状总结36-37
• 1.4.2 本文的研究目的及技术路线37-38
• 第2章 气膜冷却实验台及测量技术38-56
• 2.1 本章引论38
• 2.2 气膜冷却机理研究实验台38-41
• 2.2.1 实验台结构38-39
• 2.2.2 主流风洞系统39-40
• 2.2.3 二次供气系统40
• 2.2.4 基础流动参数测量设备40
• 2.2.5 曲率及压力梯度气膜冷却实验段及测量系统40-41
• 2.3 高亚音速叶栅气膜冷却实验台41-45
• 2.3.1 实验台总体特性41-42
• 2.3.2 主流风洞系统42-43
• 2.3.3 二次供气系统43-44
• 2.3.4 叶栅实验段及测量系统44-45
• 2.4 压力敏感漆实验技术45-53
• 2.4.1 压力敏感漆测量原理45-46
• 2.4.2 压力敏感漆标定方法46-48
• 2.4.3 压力敏感漆的误差分析48-53
• 2.5 五孔探针实验技术53-54
• 2.6 本章小结54-56
• 第3章 气膜冷却数值计算方法56-65
• 3.1 本章引论56
• 3.2 雷诺时均方法及传统涡粘模型56-59
• 3.2.1 控制方程56-57
• 3.2.2 双方程涡粘湍流模型57-59
• 3.3 各向异性湍流模型59-63
• 3.3.1 各向异性修正方法59-60
• 3.3.2 湍流模型的验证60-63
• 3.4 参数化网格生成及计算平台63-64
• 3.5 本章小结64-65
• 第4章 曲率及压力梯度对气膜冷却传热特性的影响机理65-95
• 4.1 本章引论65-66
• 4.2 曲率及压力梯度实验设置和数值计算方法66-71
• 4.2.1 实验对象及参数设置66-68
• 4.2.2 实验有效性验证68-70
• 4.2.3 数值计算方法及其验证70-71
• 4.3 曲率对气膜冷却的影响机理71-79
• 4.3.1 曲率对气膜冷却影响的理论研究71-73
• 4.3.2 不同曲率下的气膜冷却实验结果及其分析73-79
• 4.4 流向压力梯度对气膜冷却的影响机理79-90
• 4.4.1 流向压力梯度对平面气膜冷却的影响79-83
• 4.4.2 流向压力梯度对凸面气膜冷却的影响83-86
• 4.4.3 流向压力梯度对凹面气膜冷却的影响86-90
• 4.5 流向压力梯度和曲率对气膜冷却的综合影响90-93
• 4.5.1 存在流向压力梯度下的径向压力平衡分析90-91
• 4.5.2 流向压力梯度和曲率影响下的气膜冷却整体特性91-93
• 4.6 本章小结93-95
• 第5章 孔型结构对透平环境气膜冷却传热特性的影响机理95-117
• 5.1 本章引论95
• 5.2 复合角对透平环境气膜冷却的影响机理95-106
• 5.2.1 复合角气膜冷却的结构95-96
• 5.2.2 复合角对气膜冷却的影响96-97
• 5.2.3 曲率对复合角气膜冷却的影响97-99
• 5.2.4 流向压力梯度对复合角气膜冷却的影响99-105
• 5.2.5 曲率及流向压力梯度对复合角气膜冷却的综合影响105-106
• 5.3 扇形孔对透平环境气膜冷却的影响机理106-115
• 5.3.1 扇形孔气膜冷却的结构106-107
• 5.3.2 扇形孔对气膜冷却的影响107-108
• 5.3.3 曲率对扇形孔气膜冷却的影响108-110
• 5.3.4 流向压力梯度对扇形孔气膜冷却的影响110-114
• 5.3.5 曲率及流向压力梯度对扇形孔气膜冷却的综合影响114-115
• 5.4 本章小结115-117
• 第6章 透平环境下气膜冷却有效度修正方法及其验证117-140
• 6.1 本章引论117
• 6.2 平板气膜冷却经验公式117-121
• 6.2.1 简单圆孔公式118-119
• 6.2.2 复合角圆孔公式119-120
• 6.2.3 扇形孔公式120-121
• 6.3 曲率及压力梯度修正方法121-123
• 6.3.1 吹离特性修正121-122
• 6.3.2 流向耗散修正122
• 6.3.3 侧向扩散修正122-123
• 6.4 不同孔型的修正公式及其实验验证123-129
• 6.4.1 简单圆孔修正公式123-125
• 6.4.2 复合角圆孔修正公式125-127
• 6.4.3 扇形孔修正公式127-129
• 6.5 气膜冷却叶栅实验及对一维修正方法的验证129-138
• 6.5.1 高亚音速平面叶栅气膜冷却实验设置129-131
• 6.5.2 单排孔气膜冷却有效度验证131-134
• 6.5.3 全叶片气膜冷却验证134-136
• 6.5.4 圆孔全叶片气膜冷却验证136-138
• 6.6 本章小结138-140
• 第7章 流向压力梯度对气膜冷却气动特性的影响机理140-157
• 7.1 本章引论140
• 7.2 实验设置及数值计算方法140-143
• 7.2.1 实验对象及参数设置140-141
• 7.2.2 数值计算方法及验证141-143
• 7.3 流向压力梯度下的气膜冷却射流系数143-146
• 7.3.1 流向压力梯度对射流系数的影响143-145
• 7.3.2 复合角对射流系数的影响145-146
• 7.4 流向压力梯度下的气膜冷却总压损失系数146-151
• 7.4.1 流向压力梯度对总压损失系数的影响146-149
• 7.4.2 复合角对总压损失系数的影响149-151
• 7.5 流向压力梯度下的气膜冷却动能损失系数151-155
• 7.5.1 动能损失系数的定义151-152
• 7.5.2 流向压力梯度对气膜冷却动能损失系数的影响152-154
• 7.5.3 复合角对气膜冷却动能损失系数的影响154-155
• 7.6 本章小结155-157
• 第8章 结论与展望157-161
• 8.1 本文工作总结157-160
• 8.2 本文主要创新点160
• 8.3 未来工作展望160-161
• 参考文献161-172
• 致谢172-174
• 个人简历、在学期间发表学术论文与研究成果174-175

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