透平叶片气膜冷却及冷气掺混损失研究
发布时间：2022-01-10 15:06
随着对燃气轮机性能的要求不断提高,对透平叶片冷却技术的要求也越来越高。气膜冷却是燃气轮机的关键冷却技术之一,采用气膜冷却技术,一方面能够降低叶片金属温度,另一方面由于冷气出流和主流的掺混导致的掺混损失降低透平的气动性能,进而影响整机效率。为了降低气膜冷却的掺混损失,需要在研究气膜冷却效果的同时,对冷气与主流的掺混过程和掺混机理进行深入研究,发展具有良好适用性的掺混损失模型用来预测掺混损失。本文采用DES和SAS方法对平板模型气膜冷却进行了非定常数值模拟研究。对气膜孔下游速度场的频域分析发现,冷气在气膜孔出口会破碎成具有较高特征频率的小尺度涡,这些小涡脱离气膜孔出口后会相互融合,形成尺度稍大特征频率稍低的涡。随后大涡稳定地向下游流动,并在与主流掺混不断的掺混过程中逐渐耗散。根据涡结构的变化,可以将气膜冷却的冷气出流与主流的掺混过程分为“脱体-融合-耗散”3个阶段,而气膜冷却的流场则可以对应分为气膜孔区、脱体区、融合区和发展耗散区四个区域。融合后的脱体涡即是肾形涡对的三维结构。采用RANS方法对叶栅压力面和吸力面气膜冷却进行了数值模拟研究。应用熵产率对数值结果进行了分析,验证了熵产率分析法...
【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】：147 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．１透平叶片冷却技术发展史ｉｎ??Ｆｉｇｕｒｅ?１．１?Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ?Ｈｉｓｔｏｒｙ?ｏｆ?Ｔｕｒｂｉｎｅ?Ｂｌａｄｅ?Ｃｏｏｌｉｎｇ?Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ??
透平叶片气膜冷却及冷气出流掺混损失研究??标。图１．２给出了气膜冷却过程中各项参数的定义。其中，２＾和＼分别代表主??流气体和冷气出流气体的速度，７；和Ｉ；分别代表主流气体和冷气出流气体的温??度。代表气膜气体的温度，ｒｗ代表壁面的温度。??上流??冷却射流Ｇ，７；?Ｔ＇ｖ??图１．２气膜冷却参数定义Ｗ??Ｆｉｇｕｒｅ?１．２?Ｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎ?ｏｆ?Ｆｉｌｍ?Ｃｏｏｌｉｎｇ?Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ??由此将气膜冷却效果／７定义为，??（ｉ．ｉ）??Ｔｍ￣Ｔｃ??在实验和实际应用中，气膜气体的温度７｝难以与主流精确区分和测量，因而??采用壁面温度７；代替气膜气体温度７｝。考虑到固体传热，壁面的实际温度７；将??受到壁面材料的热传导率和叶片厚度等因素影响，所以在目前的气膜冷却研究中??通常使用绝热壁面温度７；ｗ。因而绝热气膜冷却效果可以定义为
吹风比定义为：??ＢＲ＝Ｐ＾ｃ＿?（１．３）??Ｐ，ｎＵｍ??式中和Ａｎ分别表示冷气密度和主流密度。吹风比表征了冷气出流气体密流??与主流气体密流之比，是最早用于气膜冷却研宄的比参数。９０年代针对圆柱孔??进行的大量研究［５］［６］［７］［８］显示，单排圆柱孔的绝热气膜冷却效果与吹风比的大小有??关。小吹风比时，气膜冷却效果随着吹风比增大而升高，当吹风比超过０．５以后，??气膜冷却效果逐渐下降。这主要是因为大吹风比下，冷气出流具有较高的动量，??以一定的入射角度喷射后会穿透边界层进入主流，使壁面的气膜覆盖区域减小，??降低气膜冷却效果。在计算流体力学（ＣＦＤ）数值模拟的帮助下，进一步认识气??膜冷却的原理有了可能。Ｌｅｙｌｅｋ和Ｚｅｒｋｌｅ［９］通过比较数值计算和实验结果，揭示??了气膜冷气出流的流动细节，发现冷气出流在进入主流之后，会形成一对反向旋??转涡对，又称为肾形涡对。Ｆｒｉｃ和Ｒ〇ｓｈｉｋ〇？给出了肾形涡对的示意图，如图１．３??所示。高吹风比下，反向旋转涡对会将主流的高温燃气从外侧卷吸到冷气出流下??方，因此会极大地降低气膜冷却效果。??Ｔ．?Ｆ．?Ｆｒｉｖ?ａｎｄ?Ａ．?Ｒｎｓｈｋｏ??
【参考文献】：
期刊论文
[1]全气膜冷却叶片表面换热系数和冷却效率研究[J]. 张宗卫,朱惠人,刘聪,孟庆昆. 西安交通大学学报. 2012(07)
博士论文
[1]透平叶栅环境下气膜冷却流动传热机理研究[D]. 秦晏旻.清华大学 2015
[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]燃气轮机透平气膜冷却机理的实验与理论研究[D]. 李佳.清华大学 2011
本文编号：3580914
【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】：147 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．１透平叶片冷却技术发展史ｉｎ??Ｆｉｇｕｒｅ?１．１?Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ?Ｈｉｓｔｏｒｙ?ｏｆ?Ｔｕｒｂｉｎｅ?Ｂｌａｄｅ?Ｃｏｏｌｉｎｇ?Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ??
透平叶片气膜冷却及冷气出流掺混损失研究??标。图１．２给出了气膜冷却过程中各项参数的定义。其中，２＾和＼分别代表主??流气体和冷气出流气体的速度，７；和Ｉ；分别代表主流气体和冷气出流气体的温??度。代表气膜气体的温度，ｒｗ代表壁面的温度。??上流??冷却射流Ｇ，７；?Ｔ＇ｖ??图１．２气膜冷却参数定义Ｗ??Ｆｉｇｕｒｅ?１．２?Ｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎ?ｏｆ?Ｆｉｌｍ?Ｃｏｏｌｉｎｇ?Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ??由此将气膜冷却效果／７定义为，??（ｉ．ｉ）??Ｔｍ￣Ｔｃ??在实验和实际应用中，气膜气体的温度７｝难以与主流精确区分和测量，因而??采用壁面温度７；代替气膜气体温度７｝。考虑到固体传热，壁面的实际温度７；将??受到壁面材料的热传导率和叶片厚度等因素影响，所以在目前的气膜冷却研究中??通常使用绝热壁面温度７；ｗ。因而绝热气膜冷却效果可以定义为
吹风比定义为：??ＢＲ＝Ｐ＾ｃ＿?（１．３）??Ｐ，ｎＵｍ??式中和Ａｎ分别表示冷气密度和主流密度。吹风比表征了冷气出流气体密流??与主流气体密流之比，是最早用于气膜冷却研宄的比参数。９０年代针对圆柱孔??进行的大量研究［５］［６］［７］［８］显示，单排圆柱孔的绝热气膜冷却效果与吹风比的大小有??关。小吹风比时，气膜冷却效果随着吹风比增大而升高，当吹风比超过０．５以后，??气膜冷却效果逐渐下降。这主要是因为大吹风比下，冷气出流具有较高的动量，??以一定的入射角度喷射后会穿透边界层进入主流，使壁面的气膜覆盖区域减小，??降低气膜冷却效果。在计算流体力学（ＣＦＤ）数值模拟的帮助下，进一步认识气??膜冷却的原理有了可能。Ｌｅｙｌｅｋ和Ｚｅｒｋｌｅ［９］通过比较数值计算和实验结果，揭示??了气膜冷气出流的流动细节，发现冷气出流在进入主流之后，会形成一对反向旋??转涡对，又称为肾形涡对。Ｆｒｉｃ和Ｒ〇ｓｈｉｋ〇？给出了肾形涡对的示意图，如图１．３??所示。高吹风比下，反向旋转涡对会将主流的高温燃气从外侧卷吸到冷气出流下??方，因此会极大地降低气膜冷却效果。??Ｔ．?Ｆ．?Ｆｒｉｖ?ａｎｄ?Ａ．?Ｒｎｓｈｋｏ??
【参考文献】：
期刊论文
[1]全气膜冷却叶片表面换热系数和冷却效率研究[J]. 张宗卫,朱惠人,刘聪,孟庆昆. 西安交通大学学报. 2012(07)
博士论文
[1]透平叶栅环境下气膜冷却流动传热机理研究[D]. 秦晏旻.清华大学 2015
[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]燃气轮机透平气膜冷却机理的实验与理论研究[D]. 李佳.清华大学 2011
本文编号：3580914
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