透平叶栅端壁流动和换热特性实验研究

发布时间：2017-08-24 14:57

  本文关键词：透平叶栅端壁流动和换热特性实验研究

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【摘要】：提高透平燃气入口温度是改善航空发动机性能和提高其经济性的重要途径,目前透平入口温度已远远超过当前可用材料耐热性能的极限。为了保证燃气透平高温部件的可靠运行及合理寿命,必须采取有效的冷却措施。近年来,作为透平叶栅重要组成部分的叶栅端壁冷却受到了广泛的关注。一方面,由于端壁附近复杂二次流的存在使得该区域通常难以有效利用气膜冷却,另一方面,冷气出流与通道内主流及二次流的相互作用对端壁区域的流动和换热规律产生强烈的影响。因此,本文研究叶栅端壁冷却相关的流动和换热规律具有一定的挑战意义。 主要工作有： (1)在低速循环水洞中,利用自制的TRPIV测量系统,实现了无气膜出流时线性叶栅端壁流场的细致测量。在测得速度场的基础上进行统计分析,得到了各测量截面时均速度场、流线涡量和采样点功率频谱图。通过对二次流时均和瞬态特性的分析,清楚地展示了叶栅端壁二次流的演变过程。 (2)在叶片前缘上游端壁布置不同几何结构的气膜孔,并分别利用TRPIV、 PLIF技术测量和演示了端壁二次流和冷气浓度分布,研究了端壁气膜出流对二次流特性的影响。通过比较圆形孔、窄缝孔以及不同结构窄缝孔出流与二次流的相互作用,揭示了前缘端壁不同结构孔型气膜冷却作用的本质。 (3)通过电加热风洞模拟涡轮叶栅端壁高温工作环境,并利用红外热像技术对前缘上游端壁冷却特性进行了传热实验研究。通过对主流雷诺数及温度、冷热气流吹风比及温度比、冷气出流角以及不同冷却结构等方面的定性和定量分析,总结了叶栅前缘上游端壁的冷却特性。 主要创新点： (1)过去的时平均测量方法很容易忽略端壁二次流非稳定特征,本文通过自制的高时间分辨率TRPIV系统不仅记录了流场时均特性,而且还捕捉到二次流瞬态特征,这些瞬态特征丰富了对端壁二次流规律的理解。 (2)马蹄涡的非定常运动会引起叶片前缘端壁非常高的传热效率,导致端壁极易被烧毁。本文提出前缘上游端壁布置窄缝气膜孔的思想,利用端壁冷气出流来抑制前缘马蹄涡的形成,削弱二次流的不利影响,同时起到冷却端壁的作用。 (3)过去研究叶栅端壁传热时,常以壁面绝热假设为前提,利用陶瓷、玻璃等低导热材料,在低温环境下研究端壁换热特性,而本文实验件采用耐高温材料制造,并在高温热风洞中模拟涡轮工作环境进行实验,测量数据更具有参考价值。
【关键词】：叶栅端壁 二次流 气膜冷却 流动和换热 实验研究
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V231.1
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-8
• 目录8-10
• 第1章 绪论10-20
• 1.1 燃气透平冷却特性研究的背景及意义10-11
• 1.2 燃气透平冷却技术概述11-12
• 1.3 叶栅端壁冷却特性的研究现状12-19
• 1.3.1 叶栅端壁流动和传热特性研究进展12-16
• 1.3.2 端壁冷却特性的实验测量方法16-17
• 1.3.3 前缘上游端壁冷气出流对端壁冷却特性的影响17-19
• 1.4 本文研究目的与主要内容19-20
• 第2章 无气膜出流时线性叶栅端壁二次流特性研究20-32
• 2.1 引言20-21
• 2.2 实验装置与实验系统21-24
• 2.2.1 实验系统21-22
• 2.2.2 实验测量对象22
• 2.2.3 TRPIV技术与数据处理过程22-24
• 2.3 实验过程与结果分析24-30
• 2.3.1 实验工况24-25
• 2.3.2 实验结果与分析25-30
• 2.3.2.1 通道二次流时均特征分析25-28
• 2.3.2.2 前缘二次流的瞬态特征分析28-30
• 2.4 本章小结30-32
• 第3章 前缘上游端壁气膜出流对二次流特性影响的研究32-46
• 3.1 引言32-33
• 3.2 实验装置组成与概括33-35
• 3.2.1 实验水洞系统33-34
• 3.2.2 实验研究对象34-35
• 3.3 测量方法与数据处理过程35-38
• 3.3.1 平面激光诱导荧光技术(PLIF)35-36
• 3.3.2 数据处理方法与误差分析36-38
• 3.4 实验结果与分析38-44
• 3.4.1 不同气膜孔结构对前缘滞止截面时均气膜浓度分布的影响39-41
• 3.4.2 不同气膜孔结构对前缘上游马蹄涡特性的影响41-43
• 3.4.3 不同气膜孔结构对前缘上游马蹄涡特性影响的瞬态流动分析与讨论43-44
• 3.5 本章小结44-46
• 第4章 前缘上游端壁窄缝泄漏流气膜冷却的传热实验研究46-76
• 4.1 引言46-47
• 4.2 实验系统组成与概括47-55
• 4.2.1 试验段结构48-51
• 4.2.2 供气系统51
• 4.2.3 加热系统51-52
• 4.2.4 测量系统52-55
• 4.3 实验数据处理与误差分析55-61
• 4.3.1 气密性问题及红外校正分析55-57
• 4.3.2 数据处理准备及误差分析57-61
• 4.4 实验结果与分析61-74
• 4.4.1 没有冷却的端壁换热特性研究61-64
• 4.4.2 前缘上游端壁冷气出流的换热特性研究64-74
• 4.5 本章小结74-76
• 第5章 总结与展望76-78
• 参考文献78-84
• 致谢84-86
• 在读期间发表的学术论文和取得的研究成果86

【参考文献】

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1 杜闰萍;刘U，

本文编号：731915