透平气膜冷却与冷气掺混损失研究

发布时间：2017-03-19 20:02

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【摘要】：燃气轮机在航空动力及地面工业发电等领域都扮演着重要的角色,提高透平进口温度是增加燃气轮机热效率的重要手段,但受限于叶片耐高温材料的发展,先进冷却技术的应用成为提高透平进口温度的主要手段。气膜冷却技术广泛应用于燃气轮机透平叶片冷却,但是冷气出流与主流的掺混造成燃气的动能和总压损失,从而降低了有效功,因此在进行气膜冷却研究时,不仅气膜冷却效果是主要的衡量因素,气膜冷却引起的气动损失同样也是需要考虑的重要因素。如何在保证气膜冷却效果的前提下尽量降低气膜冷却带来的气动损失,是一个重要的研究方向。在本文低速平板气膜冷却研究中,通过数值模拟的方法比较了四种不同气膜孔结构的气膜冷却效果,发现扇形孔在同吹风比条件下是四种气膜孔结构中冷却效果最高,复合角能提高圆柱孔的气膜冷却效果,双射流气膜孔在较高吹风比下仍有良好的气膜冷却效果,并且在气膜孔下游较远位置的冷却效果接近扇形孔。通过数值模拟和实验的方法对四种气膜孔结构的气动损失进行了研究,引入考虑冷气的总压损失系数ζp.total,发现其大小均随吹风比的增大而增大,吹风比较低时四种气膜孔结构的气动损失十分接近。与实验结果相比,数值模拟中对气动损失沿壁面法向的扩散预测不足,使近壁区域的损失低于实验结果,并且在吹风比较高时对冷气射流总压过分预估,使数值模拟结果与实验结果存在一定差距,但是二者随吹风比的变化趋势一致,因此数值模拟的结果具有一定的参考价值。通过数值模拟的方法研究了主流马赫数对气膜冷却效果及气动损失的影响。发现主流马赫数的增加会提高各气膜孔结构的气膜冷却效果,并且会降低气动损失。造成这一现象的原因是主流马赫数的增加减小了平板边界层的厚度,减弱了冷气射流对主流的穿透性,减小了近壁边界层引起的高损失区域面积。吹风比较高时孔内损失是造成气膜冷却气动损失的主要原因,因此改善孔内损失是降低气动损失的一个重要思路。
【关键词】：气膜冷却 扇形孔 双射流气膜孔 气动损失 主流马赫数
【学位授予单位】：中国科学院研究生院(工程热物理研究所)
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TK471
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-10
• 第1章 绪论10-32
• 1.1 课题的背景及意义10-11
• 1.2 气膜冷却技术11-13
• 1.3 气膜冷却效果的相关研究进展13-20
• 1.3.1 外部因素对气膜冷却效果的影响13-16
• 1.3.2 气膜孔几何参数与孔型对冷却效果的影响16-20
• 1.4 气膜冷却的气动损失研究20-28
• 1.5 气膜冷却研究方法介绍28-29
• 1.5.1 实验研究28
• 1.5.2 数值模拟研究28-29
• 1.6 本文的主要工作29-32
• 第2章 平板气膜冷却实验装置及数值研究方法概述32-40
• 2.1 实验装置介绍32-34
• 2.2 实验数据采集34-35
• 2.3 误差分析35-36
• 2.4 数值方法概述36-40
• 第3章 低速平板气膜冷却效果研究40-50
• 3.1 数值模型及边界条件40-43
• 3.1.1 边界条件和网格划分40-42
• 3.1.2 湍流模型的选取和验证42-43
• 3.2 气膜冷却效果的分析比较43-49
• 3.3 本章小结49-50
• 第4章 低速平板气膜冷却损失实验与数值研究50-64
• 4.1 平板气膜冷却实验方案50-51
• 4.2 平板气膜冷却气动损失计算方法51-54
• 4.3 不同气膜孔结构气动损失比较与分析54-62
• 4.4 本章小结62-64
• 第5章 主流马赫数对平板气膜冷却的影响64-82
• 5.1 主流马赫数对气膜冷却效果的影响64-70
• 5.2 主流马赫数对气膜冷却气动损失的影响70-79
• 5.3 本章小结79-82
• 第6章 结论与展望82-84
• 6.1 结论82-83
• 6.2 展望83-84
• 主要符号说明84-86
• 插图列表86-90
• 表格列表90-92
• 参考文献92-98
• 攻读学位期间发表的论文98-100
• 致谢100

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前2条

1 李雪英;韩昌;秦晏e，

本文编号：256480