压力梯度主流中圆-缝形孔气膜冷却特性研究
发布时间：2021-10-31 13:45
气膜冷却作为一种高效的冷却方式在涡轮叶片总体冷却效果提升中占据主导作用。异形孔的创新和应用能够同时改善流向和展向气膜覆盖,使叶片获得更好的冷却均匀性,对于减少冷气用量、降低叶片热应力具有非常重要的意义。收敛缝形孔是一种新型高效的成型孔气膜冷却结构,从入口圆逐渐过渡为出口窄缝,相比常规圆形孔和扩散孔能够有效改善气膜覆盖均匀性,但同时收敛结构会提高气膜孔内的压力损失,降低流量系数。为此提出圆-缝形孔（RTSH）的概念,其整体结构和收敛缝形孔类似,通过改变出口缝的几何参数使得出口面积小于、等于或者大于入口圆面积,分别形成收敛圆-缝形孔、等面积圆-缝形孔及扩张圆-缝形孔。本文针对几种典型的圆-缝形孔在不同压力梯度主流环境中的冷却特性进行研究,并和常规的圆形孔和扇形孔进行对比,主要研究内容及相关结论如下:首先,针对流向压力梯度主流中平板单排圆-缝形孔的气膜冷却特性分别开展了实验和数值研究,包括四种不同的圆-缝形孔结构,并以圆形孔和扇形孔作为比较基准。研究结果表明,除常规肾形涡对以外,圆-缝形孔下游形成另一对与之旋向相反的反肾形涡,有效阻止了高温主流从气膜射流两侧侵入冷却射流下方壁面,增强了气膜的...
【文章来源】：南京航空航天大学江苏省 211工程院校
【文章页数】：214 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
涡轮进口温度发展趋势
图 1.1 涡轮进口温度发展趋势[5]以涡轮叶片冷却为例，现代燃气涡轮气冷叶片已形成了由内部冷却和外部冷却相结案[5]，典型的涡轮叶片冷却结构如图 1.2 所示。内部冷却通常采用射流冲击、蛇形弯、扰流柱等强化传热手段，外部冷却则依靠在叶片表面喷注冷却介质形成保护气膜。冷却作为一种高效的冷却方式被广泛应用于涡轮叶片等热端部件的冷却，其不仅可侧高温壁面，同时能在高温燃气和叶片外表面之间形成气膜起到热防护作用，因此率的提高对叶片总体冷却效果的提升占据主导作用。
图 1.5 气膜冷却涡轮叶片[12]常规的圆形孔射流喷吹进入主流后与主流发生强烈的卷吸和掺混，主流与气膜出流之互作用会诱发多种不同尺度的涡结构[13]。其中，最大尺度的涡结构是气膜孔下游反向旋形涡对，如图 1.6 所示，其对气膜冷却的影响占据主导地位。该肾形涡对的涡量源于气侧边缘，冷气射流喷出后气膜孔两侧边缘卷起的旋涡在气膜出流和主流剪切作用下不断发展。大量研究表明[15]，肾形涡易将高温主流从两侧卷吸至冷却射流下方壁面，导致冷被迫向上抬升并脱离壁面，冷却效果明显降低。因此，提高气膜冷却效率的核心本质是形涡对的发展，降低冷气射流向主流的穿透程度。
【参考文献】：
期刊论文
[1]主流压力梯度对气膜冷却效率影响的数值研究[J]. 王玮琪,单勇,廖华琳,谭晓茗,张靖周. 航空动力学报. 2017(08)
[2]涡轮导叶压力面簸箕形气膜孔冷却特性实验研究[J]. 付仲议,朱惠人,刘聪,张洪,李峥. 推进技术. 2016(12)
[3]突片形状对气膜冷却效率的影响[J]. 常艳,杨卫华,张靖周. 南京航空航天大学学报. 2016(03)
[4]涡轮导叶吸力面簸箕型孔气膜冷却特性实验研究[J]. 刘聪,朱惠人,付仲议,李峥,张洪. 推进技术. 2016(06)
[5]主流压力梯度对气膜孔流量系数影响机理[J]. 朱惠人,骆剑霞,黄小杨,刘志刚. 航空动力学报. 2014(09)
[6]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)
[7]Investigation on film cooling characteristics from a row of converging slot-holes on flat plate[J]. YAO Yu & ZHANG JingZhou * College of Energy and Power Engineering, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016, China. Science China（Technological Sciences）. 2011(07)
[8]旋转对气膜冷却影响的大涡模拟[J]. 刘宁,孙纪宁. 推进技术. 2011(02)
[9]涡轮叶片吸力面上收敛缝形孔气膜冷却对叶栅气动损失的影响[J]. 姚玉,张靖周,何飞,郭文. 航空学报. 2010(07)
[10]旋转状态气膜冷却的大涡模拟[J]. 刘宁,陶智. 北京航空航天大学学报. 2010(05)
博士论文
[1]相反展向复合角气膜冷却特性及应用研究[D]. 丁阳.南京航空航天大学 2015
[2]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
[3]收敛缝形孔气膜冷却特性研究[D]. 姚玉.南京航空航天大学 2010
[4]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
本文编号：3468239
【文章来源】：南京航空航天大学江苏省 211工程院校
【文章页数】：214 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
涡轮进口温度发展趋势
图 1.1 涡轮进口温度发展趋势[5]以涡轮叶片冷却为例，现代燃气涡轮气冷叶片已形成了由内部冷却和外部冷却相结案[5]，典型的涡轮叶片冷却结构如图 1.2 所示。内部冷却通常采用射流冲击、蛇形弯、扰流柱等强化传热手段，外部冷却则依靠在叶片表面喷注冷却介质形成保护气膜。冷却作为一种高效的冷却方式被广泛应用于涡轮叶片等热端部件的冷却，其不仅可侧高温壁面，同时能在高温燃气和叶片外表面之间形成气膜起到热防护作用，因此率的提高对叶片总体冷却效果的提升占据主导作用。
图 1.5 气膜冷却涡轮叶片[12]常规的圆形孔射流喷吹进入主流后与主流发生强烈的卷吸和掺混，主流与气膜出流之互作用会诱发多种不同尺度的涡结构[13]。其中，最大尺度的涡结构是气膜孔下游反向旋形涡对，如图 1.6 所示，其对气膜冷却的影响占据主导地位。该肾形涡对的涡量源于气侧边缘，冷气射流喷出后气膜孔两侧边缘卷起的旋涡在气膜出流和主流剪切作用下不断发展。大量研究表明[15]，肾形涡易将高温主流从两侧卷吸至冷却射流下方壁面，导致冷被迫向上抬升并脱离壁面，冷却效果明显降低。因此，提高气膜冷却效率的核心本质是形涡对的发展，降低冷气射流向主流的穿透程度。
【参考文献】：
期刊论文
[1]主流压力梯度对气膜冷却效率影响的数值研究[J]. 王玮琪,单勇,廖华琳,谭晓茗,张靖周. 航空动力学报. 2017(08)
[2]涡轮导叶压力面簸箕形气膜孔冷却特性实验研究[J]. 付仲议,朱惠人,刘聪,张洪,李峥. 推进技术. 2016(12)
[3]突片形状对气膜冷却效率的影响[J]. 常艳,杨卫华,张靖周. 南京航空航天大学学报. 2016(03)
[4]涡轮导叶吸力面簸箕型孔气膜冷却特性实验研究[J]. 刘聪,朱惠人,付仲议,李峥,张洪. 推进技术. 2016(06)
[5]主流压力梯度对气膜孔流量系数影响机理[J]. 朱惠人,骆剑霞,黄小杨,刘志刚. 航空动力学报. 2014(09)
[6]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)
[7]Investigation on film cooling characteristics from a row of converging slot-holes on flat plate[J]. YAO Yu & ZHANG JingZhou * College of Energy and Power Engineering, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016, China. Science China（Technological Sciences）. 2011(07)
[8]旋转对气膜冷却影响的大涡模拟[J]. 刘宁,孙纪宁. 推进技术. 2011(02)
[9]涡轮叶片吸力面上收敛缝形孔气膜冷却对叶栅气动损失的影响[J]. 姚玉,张靖周,何飞,郭文. 航空学报. 2010(07)
[10]旋转状态气膜冷却的大涡模拟[J]. 刘宁,陶智. 北京航空航天大学学报. 2010(05)
博士论文
[1]相反展向复合角气膜冷却特性及应用研究[D]. 丁阳.南京航空航天大学 2015
[2]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
[3]收敛缝形孔气膜冷却特性研究[D]. 姚玉.南京航空航天大学 2010
[4]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
本文编号：3468239
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