复合冷却及凹坑冷却耦合传热研究
发布时间：2021-06-30 09:27
透平前进气温度是影响燃气轮机性能的重要因素之一。透平冷却技术的发展为进一步提高透平前进气温度打下了基础。目前,燃机透平叶片中已发展出包括外部冷却（气膜冷却、发汗冷却等）、内部冷却（对流冷却、冲击冷却）等在内的冷却形式。实际的透平叶片局部采用多种冷却单元来满足高温热载荷的挑战,叶片的前缘、中弦区及端壁等位置用到了气膜/冲击复合冷却方案,多种冷却方式间的耦合传热效果不是简单的冷却效果的叠加。本文采用气热耦合的数值方法分析了复合冷却内部流动和换热特性,进一步将凹形漩涡发生器引入到复合结构中,并对各种复合冷却方案的冷却特性进行了总结,用耦合传热实验方法进行了综合冷却效率的测量。对影响复合结构冷却效率的几何因素、流动因素及固体导热作用进行了研究。对几何因素的研究表明,气膜孔孔型和冲击孔直径是影响复合结构综合冷却效率的重要因素,冲击距离的作用结果并不明显,各种孔型结构中,扇形孔和冲击复合冷却有着最高的综合冷却效率。对流动因素的研究包括:吹风比、冲击雷诺数及冷气量。结果表明吹风比及冲击雷诺数的增大对应着气膜流场中肾形对涡的增强及冲击壁面换热系数的提高,对综合冷却效率均有提升效果。吹风比在达到一定值之...
【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院工程热物理研究所)北京市
【文章页数】：86 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．１透平冷却方法随进口温度提髙的发展趋势１２１??燃气轮机透平叶片冷却设计从以下五个方面考虑：（１）内部对流冷却；（２）??（３）（４）（５）
．表示绝热壁面温度，下标ｇ和ｃ分别代表主流和射流。冷气由气膜孔??射入到主流时，与主流之间发生复杂的相互作用，形成肾形涡对和其他的涡系结??构Ｉ１＂，如图１．５所示。当这些二次涡抬离壁面程度越高，卷吸的主流量越大时，??冷气覆盖效果越差，气膜冷却效率越低。当吹风比较大时，射流抬离壁面，主流??热空气接触壁面导致冷却效率降低。??图１．５气膜孔下游的反转肾形涡ｌｕｌ??影响气膜冷气出流涡系结构和抬离程度的因素来自两方面，一是主流和冷气??的流动参数影响，二是气膜孔的几何参数。??流动参数包括密度比Ｄｉ？、速度比ｒａ、吹风比５／？、动量比／、湍流度、主流??马赫数和雷诺数等。密度比、速度比、吹风比、动量比、质量流量比用于表征主??流与冷气间的相互关系，各自定义如式（１．２Ｍ１．６）所示。??ＢＲ?（１．２）??Ｐｇｕｇ??ＶＲ?＝?＾?（１．３）??ｕ９??７＝＾４?（１．４）??Ｐａｕｇ??ＤＲ?＝匕?（１．５）??Ｐｇ??ＭＦＲ?＝＾－?（１．６）??Ｑｍ??其中，Ｐ表示密度，１／表示速度，９表示质量流量。密度比和速度比是两个独立??４??
?等［１４］和８〇１１等［１５］的研宄都表明，当吹风比较低时（似＝０．７５），气膜冷却效率随湍??流度增大迅速降低；当吹风比较大时（Ｍ＝１．５），湍流度的影响较弱，如图１．８所??７］ｎ?〇??Ｌｏｗ?Ｂｌｏｗｉｎｇ?Ｒ？？〇．?Ｉ?－?０?Ｍ－〇?５?Ｈｉｇｈ?Ｂｌｏｗｉｎｇ?Ｒａｔｉｏ．?Ｉ?－?２．?Ｍ－１．８??°－７ｐｖｎ??????〇２５ｉ￣；?————??５?ｒ５：＾：?＝＝＝＝＝＝＝：＝?Ｉ?厂Ｔ７—??！。，＝＾、＇：?Ｉ?？▲?ｊ?：——＝—??Ｉ?°〇３ｚ?￣一？一－?Ｉ。。５????０．１?—?＾?０??ｉ???????０?７〇＾￣￣２０?ｔ?３０?５?１０?？?２０?２５?３０??ｘ／Ｄ??ＷＤ?？?＆５ｎｒ？＇ａｌＴ８］ｆｕ＾〇３７Ｖ?＊?Ｄｏｎ＊?ｅＴａｉｌｅｊ?Ｔｕ？１ｉ．５Ｓ??［ａ?Ｓｃｔｍｕｄｉ?＆?Ｂｏｇａｒｏ?Ｔｕ？０３％?■?Ｓｃｔｕｎｄｔ?＆?Ｂｏｇａｒｄ?［９］?Ｔｕ？１０％?｜??Ｐｒｅｓｅｎｔ?Ｗｏｒｋ，?Ｔｕ？０．１％??Ｐｒｅｓｅｎｔ?Ｗｏｒｋ?Ｔｕ？ｉ〇Ｓ????Ｐｒｏｃｎｔ?ＷｏｔＶ?Ｔｕ？〇．ｌ％??Ｐｆｇｓｅｍ?Ｗｏｒｆｃ．?Ｔｕ？１（？ｂ?｜?■?Ｓｃｈｍｉｄｔ?ｉ?ｔｔｏｇｊｒｄ?［９１?（Ｍ？２）．?Ｔｕｇ〇．３％?［??（ａ）低吹风比?（ｂ）高吹风比??图１．８湍流度对气膜冷却效率的影响Ｉ１４！??主流马赫数同样对气膜冷却效率有较大影响。高扬［１６］用数值模拟方法研宄??了主流马赫数对冷却效果的影响，发现主流马赫数增大时，冷气射流更加贴近壁??面
【参考文献】：
期刊论文
[1]涡轮叶片前缘复合冷却换热性能的实验研究[J]. 鲍曙,陈榴,戴韧. 燃气轮机技术. 2016(02)
[2]重型燃气轮机透平第一级动叶复合冷却数值研究[J]. 于飞龙,上官博,李园园,段静瑶,高松,南晴,肖俊峰. 中国电机工程学报. 2016(01)
[3]双层板冲击-气膜复合冷却结构冷却性能的数值分析[J]. 李月茹,戴韧,王蛟,徐强. 热能动力工程. 2015(04)
[4]叶片冲击/气膜复合冷却的数值研究[J]. 王昌叶,刘钊,叶绿,丰镇平. 工程热物理学报. 2015(01)
[5]复合冷却涡轮导叶的气热耦合数值模拟[J]. 邵婧,李杰,吴伟亮. 科学技术与工程. 2014(05)
[6]叶片前缘复合冷却结构的影响分析[J]. 朱延鑫,谭晓茗,郭文,张靖周,桂丰. 工程热物理学报. 2013(05)
[7]涡轮叶片冷却有效性分析[J]. 丁阳,常海萍. 航空学报. 2013(01)
[8]涡轮叶片前缘复合冷却实验[J]. 游良平,陶毓伽,蔡军,梁世强,淮秀兰,顾维藻. 航空学报. 2009(09)
[9]凹坑强化传热的研究进展回顾[J]. 刘高文,张丽,郭涛. 航空动力学报. 2007(11)
[10]射流注入角对平板气膜冷却特性影响的实验研究[J]. 刘捷,韩振兴,刘建军,蒋洪德,周嗣京. 工程热物理学报. 2007(03)
博士论文
[1]对带气膜孔的肋化冷却通道耦合换热特性的实验与数值研究[D]. 冯志新.中国科学技术大学 2013
[2]燃气透平叶片气膜冷却设计及多场耦合分析[D]. 王湛.中国科学院研究生院（工程热物理研究所） 2012
[3]航空发动机气冷涡轮叶片的气热耦合数值模拟研究[D]. 董平.哈尔滨工业大学 2009
[4]复杂内冷透平动叶中流动与换热研究[D]. 苏生.中国科学院研究生院（工程热物理研究所） 2008
硕士论文
[1]透平气膜冷却与冷气掺混损失研究[D]. 高扬.中国科学院研究生院(工程热物理研究所) 2015
[2]气膜冷却与复合冷却气热耦合研究[D]. 张鹏.中国科学院研究生院(工程热物理研究所) 2015
本文编号：3257490
【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院工程热物理研究所)北京市
【文章页数】：86 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．１透平冷却方法随进口温度提髙的发展趋势１２１??燃气轮机透平叶片冷却设计从以下五个方面考虑：（１）内部对流冷却；（２）??（３）（４）（５）
．表示绝热壁面温度，下标ｇ和ｃ分别代表主流和射流。冷气由气膜孔??射入到主流时，与主流之间发生复杂的相互作用，形成肾形涡对和其他的涡系结??构Ｉ１＂，如图１．５所示。当这些二次涡抬离壁面程度越高，卷吸的主流量越大时，??冷气覆盖效果越差，气膜冷却效率越低。当吹风比较大时，射流抬离壁面，主流??热空气接触壁面导致冷却效率降低。??图１．５气膜孔下游的反转肾形涡ｌｕｌ??影响气膜冷气出流涡系结构和抬离程度的因素来自两方面，一是主流和冷气??的流动参数影响，二是气膜孔的几何参数。??流动参数包括密度比Ｄｉ？、速度比ｒａ、吹风比５／？、动量比／、湍流度、主流??马赫数和雷诺数等。密度比、速度比、吹风比、动量比、质量流量比用于表征主??流与冷气间的相互关系，各自定义如式（１．２Ｍ１．６）所示。??ＢＲ?（１．２）??Ｐｇｕｇ??ＶＲ?＝?＾?（１．３）??ｕ９??７＝＾４?（１．４）??Ｐａｕｇ??ＤＲ?＝匕?（１．５）??Ｐｇ??ＭＦＲ?＝＾－?（１．６）??Ｑｍ??其中，Ｐ表示密度，１／表示速度，９表示质量流量。密度比和速度比是两个独立??４??
?等［１４］和８〇１１等［１５］的研宄都表明，当吹风比较低时（似＝０．７５），气膜冷却效率随湍??流度增大迅速降低；当吹风比较大时（Ｍ＝１．５），湍流度的影响较弱，如图１．８所??７］ｎ?〇??Ｌｏｗ?Ｂｌｏｗｉｎｇ?Ｒ？？〇．?Ｉ?－?０?Ｍ－〇?５?Ｈｉｇｈ?Ｂｌｏｗｉｎｇ?Ｒａｔｉｏ．?Ｉ?－?２．?Ｍ－１．８??°－７ｐｖｎ??????〇２５ｉ￣；?————??５?ｒ５：＾：?＝＝＝＝＝＝＝：＝?Ｉ?厂Ｔ７—??！。，＝＾、＇：?Ｉ?？▲?ｊ?：——＝—??Ｉ?°〇３ｚ?￣一？一－?Ｉ。。５????０．１?—?＾?０??ｉ???????０?７〇＾￣￣２０?ｔ?３０?５?１０?？?２０?２５?３０??ｘ／Ｄ??ＷＤ?？?＆５ｎｒ？＇ａｌＴ８］ｆｕ＾〇３７Ｖ?＊?Ｄｏｎ＊?ｅＴａｉｌｅｊ?Ｔｕ？１ｉ．５Ｓ??［ａ?Ｓｃｔｍｕｄｉ?＆?Ｂｏｇａｒｏ?Ｔｕ？０３％?■?Ｓｃｔｕｎｄｔ?＆?Ｂｏｇａｒｄ?［９］?Ｔｕ？１０％?｜??Ｐｒｅｓｅｎｔ?Ｗｏｒｋ，?Ｔｕ？０．１％??Ｐｒｅｓｅｎｔ?Ｗｏｒｋ?Ｔｕ？ｉ〇Ｓ????Ｐｒｏｃｎｔ?ＷｏｔＶ?Ｔｕ？〇．ｌ％??Ｐｆｇｓｅｍ?Ｗｏｒｆｃ．?Ｔｕ？１（？ｂ?｜?■?Ｓｃｈｍｉｄｔ?ｉ?ｔｔｏｇｊｒｄ?［９１?（Ｍ？２）．?Ｔｕｇ〇．３％?［??（ａ）低吹风比?（ｂ）高吹风比??图１．８湍流度对气膜冷却效率的影响Ｉ１４！??主流马赫数同样对气膜冷却效率有较大影响。高扬［１６］用数值模拟方法研宄??了主流马赫数对冷却效果的影响，发现主流马赫数增大时，冷气射流更加贴近壁??面
【参考文献】：
期刊论文
[1]涡轮叶片前缘复合冷却换热性能的实验研究[J]. 鲍曙,陈榴,戴韧. 燃气轮机技术. 2016(02)
[2]重型燃气轮机透平第一级动叶复合冷却数值研究[J]. 于飞龙,上官博,李园园,段静瑶,高松,南晴,肖俊峰. 中国电机工程学报. 2016(01)
[3]双层板冲击-气膜复合冷却结构冷却性能的数值分析[J]. 李月茹,戴韧,王蛟,徐强. 热能动力工程. 2015(04)
[4]叶片冲击/气膜复合冷却的数值研究[J]. 王昌叶,刘钊,叶绿,丰镇平. 工程热物理学报. 2015(01)
[5]复合冷却涡轮导叶的气热耦合数值模拟[J]. 邵婧,李杰,吴伟亮. 科学技术与工程. 2014(05)
[6]叶片前缘复合冷却结构的影响分析[J]. 朱延鑫,谭晓茗,郭文,张靖周,桂丰. 工程热物理学报. 2013(05)
[7]涡轮叶片冷却有效性分析[J]. 丁阳,常海萍. 航空学报. 2013(01)
[8]涡轮叶片前缘复合冷却实验[J]. 游良平,陶毓伽,蔡军,梁世强,淮秀兰,顾维藻. 航空学报. 2009(09)
[9]凹坑强化传热的研究进展回顾[J]. 刘高文,张丽,郭涛. 航空动力学报. 2007(11)
[10]射流注入角对平板气膜冷却特性影响的实验研究[J]. 刘捷,韩振兴,刘建军,蒋洪德,周嗣京. 工程热物理学报. 2007(03)
博士论文
[1]对带气膜孔的肋化冷却通道耦合换热特性的实验与数值研究[D]. 冯志新.中国科学技术大学 2013
[2]燃气透平叶片气膜冷却设计及多场耦合分析[D]. 王湛.中国科学院研究生院（工程热物理研究所） 2012
[3]航空发动机气冷涡轮叶片的气热耦合数值模拟研究[D]. 董平.哈尔滨工业大学 2009
[4]复杂内冷透平动叶中流动与换热研究[D]. 苏生.中国科学院研究生院（工程热物理研究所） 2008
硕士论文
[1]透平气膜冷却与冷气掺混损失研究[D]. 高扬.中国科学院研究生院(工程热物理研究所) 2015
[2]气膜冷却与复合冷却气热耦合研究[D]. 张鹏.中国科学院研究生院(工程热物理研究所) 2015
本文编号：3257490
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