层板导叶端壁冷却特性的实验研究
发布时间：2021-04-12 11:34
随着燃气轮机性能的改进,涡轮的进口温度不断提高,严酷的热环境给涡轮零部件带来了巨大的热负荷,特别是第一级导向叶栅的端壁。由于其直接暴露在恶劣的高温环境中,同时受到燃烧室出口燃气的直接冲刷,因此为了保证涡轮叶片安全可靠地工作,发展先进的端壁冷却技术变得至关重要。在端壁燃气侧布置离散的气膜孔是最常用的端壁冷却方式。然而,受到复杂的通道三维流动的影响,端壁表面始终存在着单纯的气膜冷却很难触及的死角。层板结构作为一种更高效的冷却方式,集冲击、扰流、气膜、导热冷却于一体,拥有燃气侧和背侧双重冷却的功能,因此值得在叶栅端壁冷却设计中应用,有望起到局部增强传热、节省冷气消耗、消除冷却死角、起到端壁表面温度分布更加均匀的作用。本文在高温风洞实验平台中,以接近涡轮工况下气膜冷却的真实温度比环境,利用红外热像技术,通过有限厚度固体导热方程,计算了端壁表面传热系数,研究并对比了不同主冷流温度比和流动条件下的层板端壁和传统气膜冷却端壁的冷却特性,并根据实验结果,对层板端壁进行了进一步的优化设计。本文主要研究内容可分为三个部分:第一,设计了具有与单纯气膜冷却端壁相同厚度和气膜孔布局的层板端壁,研究了具有复杂三维...
【文章来源】：中国科学技术大学安徽省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：135 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．１?Ｆ１００－ＰＷ－１００／２００涡扇发动机立体剖视图【１】??事实上，航空发动机工作时，使用的冷却空气都是从压气机增压后的气流中??
壁表面的温度分布会受到强烈的二次流作用，表现出复杂的流－固耦合换热特性。??１．２．?１叶栅通道内的二次流发展过程??图１．２展示了叶栅通道二次流模型的发展进程。自从１９５５年ＨａｗｔｈｏｍｅＭ??提出了叶栅通道内二次流模型之后，很多研宄者［１（）＿１４］利用各种流动显示方式，对??叶栅通道二次涡模型进行不断补充完善。１９９７年，ＷａｎｇｅｔａｌＪ１５：！提出的进口多涡??逐渐向单涡演变的二次涡模型成为目前广为接受的模型。??浦健【１６］利用?ＴＲＰＩＶ（Ｔｉｍｅ－Ｒｅｓｏｌｖｅｄ?Ｐａｒｔｉｃｌｅ?Ｉｍａｇｅ?Ｖｅｌｏｃｉｍｅｔｒｙ）技术对平面叶??栅内的稳态与瞬态流动特性展开实验研宄，通过在叶栅通道中依次选取的１５个??截面上的二次流的时平均与瞬态特性阐释了叶栅内二次流的发展过程。??首先，当主流经过涡轮叶片前缘时，在叶片前缘与端壁的结合处，由于自由??流区域的静压比边界层中的增加更快，因此翼展方向的压力梯度促使一个卷曲的??二次涡在叶片前缘与端壁的结合处形成，这个二次涡通常称为前缘马蹄涡??（Ｌｅａｄｉｎｇ?Ｅｄｇｅ?Ｈｏｒｓｅｓｈｏｅ?Ｖｏｒｔｅｘ，ＬＥＨＶ）。浦健肿］捕捉到了前缘马蹄涡在逆流模态??（ｂａｃｋｆｌｏｗ?ｍｏｄｅ）和零流模态（ｚｅｒｏ－ｆｌｏｗ?ｍｏｄｅ）两种模态下的转化
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【参考文献】：
期刊论文
[1]一种降低端壁温度的离散气膜孔布置[J]. 苏杭,浦健,王位,王建华,栾永先. 工程热物理学报. 2018(12)
[2]国外航空发动机用单晶合金体系成分特点及演变[J]. 朱鸥,李玉龙,张燕,曹玮,雷力明. 材料导报. 2014(S1)
[3]燃气轮机透平叶片传热和冷却研究:气膜冷却[J]. 刘钊,杨星,丰镇平. 热力透平. 2014(01)
[4]战斗机发动机涡轮叶片层板发散冷却技术的发展[J]. 梁春华,王鸣,刘殿春. 航空制造技术. 2013(09)
[5]攻角对端壁缝隙泄漏流气膜冷却的影响[J]. 张扬,袁新. 工程热物理学报. 2012(12)
[6]两种层板性能对比[J]. 吕东,陶智,邓宏武,李海旺. 北京航空航天大学学报. 2008(05)
[7]利用红外技术进行层板冷却特性实验研究[J]. 马龙,王建华,吴向宇,杜治能. 航空动力学报. 2008(04)
[8]液晶瞬态技术测量带侧向流扰流柱通道端壁换热[J]. 朱惠人,郭涛,张丽,许都纯. 推进技术. 2007(06)
[9]扰流柱直径对倾斜出气孔层板内流动和换热影响的数值研究[J]. 陶智,吕东,丁水汀,徐国强. 航空动力学报. 2007(04)
[10]典型层板冷却结构中流体流阻与换热特性的实验[J]. 陶智,魏豪杰,丁水汀,邓宏武,徐国强,林宇震. 航空动力学报. 2007(02)
博士论文
[1]无导叶对转涡轮高压级动叶换热特性的研究[D]. 徐晓.中国科学院工程热物理研究所 2017
[2]燃机透平冷却耦合传热特性及多因素影响机理研究[D]. 李明飞.清华大学 2015
[3]冷却介质出流对透平叶片内、外流体运动特性影响的实验研究[D]. 浦健.中国科学技术大学 2014
硕士论文
[1]层板冷却特性的研究[D]. 全栋梁.西北工业大学 2003
本文编号：3133226
【文章来源】：中国科学技术大学安徽省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：135 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．１?Ｆ１００－ＰＷ－１００／２００涡扇发动机立体剖视图【１】??事实上，航空发动机工作时，使用的冷却空气都是从压气机增压后的气流中??
壁表面的温度分布会受到强烈的二次流作用，表现出复杂的流－固耦合换热特性。??１．２．?１叶栅通道内的二次流发展过程??图１．２展示了叶栅通道二次流模型的发展进程。自从１９５５年ＨａｗｔｈｏｍｅＭ??提出了叶栅通道内二次流模型之后，很多研宄者［１（）＿１４］利用各种流动显示方式，对??叶栅通道二次涡模型进行不断补充完善。１９９７年，ＷａｎｇｅｔａｌＪ１５：！提出的进口多涡??逐渐向单涡演变的二次涡模型成为目前广为接受的模型。??浦健【１６］利用?ＴＲＰＩＶ（Ｔｉｍｅ－Ｒｅｓｏｌｖｅｄ?Ｐａｒｔｉｃｌｅ?Ｉｍａｇｅ?Ｖｅｌｏｃｉｍｅｔｒｙ）技术对平面叶??栅内的稳态与瞬态流动特性展开实验研宄，通过在叶栅通道中依次选取的１５个??截面上的二次流的时平均与瞬态特性阐释了叶栅内二次流的发展过程。??首先，当主流经过涡轮叶片前缘时，在叶片前缘与端壁的结合处，由于自由??流区域的静压比边界层中的增加更快，因此翼展方向的压力梯度促使一个卷曲的??二次涡在叶片前缘与端壁的结合处形成，这个二次涡通常称为前缘马蹄涡??（Ｌｅａｄｉｎｇ?Ｅｄｇｅ?Ｈｏｒｓｅｓｈｏｅ?Ｖｏｒｔｅｘ，ＬＥＨＶ）。浦健肿］捕捉到了前缘马蹄涡在逆流模态??（ｂａｃｋｆｌｏｗ?ｍｏｄｅ）和零流模态（ｚｅｒｏ－ｆｌｏｗ?ｍｏｄｅ）两种模态下的转化
?（ｃ）?Ｉｎｓｔａｎｔａｎｅｏｕｓ?ｖｅｌｏｃｉｔｙ?ｆｉｅｌｄｓ??ｉ羅＿翬霱??图１．４通道涡的流动性质：（ａ）时平均速度场分布；（ｂ）?Ｐｌａｎｅ?１０内三个典型瞬态速度场；（ｃ）??Ｐｌａｎｅ?７和Ｐｌａｎｅ?８内典型瞬态速度场叫??浦健［１６］还研宄了主流湍流度对通道内二次流特性的影响，发现主流湍流度??提高时，马蹄涡中心向前缘靠近，通道涡的尺寸变大且涡核远离端壁。湍流度的??４??
【参考文献】：
期刊论文
[1]一种降低端壁温度的离散气膜孔布置[J]. 苏杭,浦健,王位,王建华,栾永先. 工程热物理学报. 2018(12)
[2]国外航空发动机用单晶合金体系成分特点及演变[J]. 朱鸥,李玉龙,张燕,曹玮,雷力明. 材料导报. 2014(S1)
[3]燃气轮机透平叶片传热和冷却研究:气膜冷却[J]. 刘钊,杨星,丰镇平. 热力透平. 2014(01)
[4]战斗机发动机涡轮叶片层板发散冷却技术的发展[J]. 梁春华,王鸣,刘殿春. 航空制造技术. 2013(09)
[5]攻角对端壁缝隙泄漏流气膜冷却的影响[J]. 张扬,袁新. 工程热物理学报. 2012(12)
[6]两种层板性能对比[J]. 吕东,陶智,邓宏武,李海旺. 北京航空航天大学学报. 2008(05)
[7]利用红外技术进行层板冷却特性实验研究[J]. 马龙,王建华,吴向宇,杜治能. 航空动力学报. 2008(04)
[8]液晶瞬态技术测量带侧向流扰流柱通道端壁换热[J]. 朱惠人,郭涛,张丽,许都纯. 推进技术. 2007(06)
[9]扰流柱直径对倾斜出气孔层板内流动和换热影响的数值研究[J]. 陶智,吕东,丁水汀,徐国强. 航空动力学报. 2007(04)
[10]典型层板冷却结构中流体流阻与换热特性的实验[J]. 陶智,魏豪杰,丁水汀,邓宏武,徐国强,林宇震. 航空动力学报. 2007(02)
博士论文
[1]无导叶对转涡轮高压级动叶换热特性的研究[D]. 徐晓.中国科学院工程热物理研究所 2017
[2]燃机透平冷却耦合传热特性及多因素影响机理研究[D]. 李明飞.清华大学 2015
[3]冷却介质出流对透平叶片内、外流体运动特性影响的实验研究[D]. 浦健.中国科学技术大学 2014
硕士论文
[1]层板冷却特性的研究[D]. 全栋梁.西北工业大学 2003
本文编号：3133226
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