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《中国科学技术大学》 2014年
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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

浦健  
【摘要】:叶片和端壁是构成燃气轮机透平叶栅的两大重要组成部分。随着透平进口温度的不断提高,对叶片和端壁进行更加高效的冷却是提高燃气轮机运行寿命的一个重要手段。目前,在先进的燃气透平叶栅设计中,普遍采用的是具有内部蛇形冷却通道和外表面局部离散气膜孔的空心叶片,且在端壁的表面设置大量气膜孔以防止高温燃气烧蚀。众所周知,在强化对流换热中,冷、热气体流动特性是影响流-固换热效率的基本因素,因此,详细了解“叶片冷却通道内流动、叶栅通道端壁流动、及气膜出流对这些流动的影响”可以帮助透平设计人员更好地了解复杂的传热机制,有利于设计者优化现有的冷却技术,进而发展新的冷却技术,最终达到“在消耗最小的冷气量的前提下,获取最高冷却效率”这一目的。从流体力学的角度进行分析,透平叶片内部蛇形冷却通道中的流动与叶栅通道端壁的流动都涉及到现代流体力学中“流动分离与二次涡形成”这一研究难题,因此本文将这些问题进行合并研究。通过利用粒子图像测速(Particle Image Velocimetry,PIV)、时序粒子图像测速(Time-Resolved PIV, TRPIV)和平面激光诱导荧光(Planar Laser Induced Fluorescence, PLIF)等先进流动测量技术,对“具有顶部气膜出流的真实叶片蛇形冷却通道内流动性质”和“具有叶片前缘气膜出流的线性平面叶栅端壁流动的时平均和瞬态性质”进行了详细测量。数据和图像分析所得到的结论可以为透平设计者提供非常有价值的参考。本文的研究内容共分为两大部分: 第一部分,冷却介质出流对透平叶片内部流体运动特性影响的实验研究。 真实叶片内部蛇形冷却通道内的流动情况非常复杂,其受到通道截面形状、叶片表面气膜出流、进口雷诺数等一系列因素的影响。以具有真实叶片横截面和冷气出口的完整冷却通道作为研究模型,将有助于详细地了解实际叶片通道内冷却工质的真实流动性质。本文利用五轴数控铣床在透明有机玻璃上加工出具有真实叶片横截面、项部气膜孔和尾缘射流出口的整体冷却通道。这个冷却通道被两块分隔板分成了三个小通道,其中,第一通道与第二通道由一个180。急转弯连接,并且在第一通道的顶部开设有一个气膜孔;第二通道与第三通道由一个半圆形转弯连接,并且在第三通道开设了一个顶部气膜孔和25个尾缘射流出口。 首先,利用PIv技术对通道内流动结构进行了测量,发现了在以往研究中使用的简化双通道内不能观察到的二次流特征,即:由真实叶片横截面和急转弯共同作用导致在蛇形冷却通道的急转弯下游存在着二次涡的混合过程。因此,保持通道横截面的形状尽量逼近真实叶片横截面将有利于设计者更详细地了解叶片冷却通道内真实的二次流流动机制。其次,考虑到冷却介质压力分布的研究对叶片内部冷却通道的设计具有重要的意义,但目前对蛇形通道内流场压力的常规测量方法很难实现压力的全场显示,并且会破坏原本流场的细节。因此,本文利用PIV数据尝试求解Reynolds-averaged Navier-Stokes (RANS)方程来获得转弯处的平均压力分布,分析了这种压力评估方法的合理性,并阐述了流动与压力的关系。最后,探讨了顶部气膜出流对流动结构、压力分布和尾缘射流特性的影响。通过比较发现:第一通道的顶部出流会使冷却通道内的流动变得更均匀,急转弯下游的鼓泡尺度和冲击区域变小,二次流性质发生变化,整个通道的沿程压降降低,降低的幅度约有35-40%。 第二部分,冷却介质出流对叶片外部流体运动特性影响的实验研究。 线性叶栅通道端壁的二次流动非常复杂,尤其表现在叶片前缘端壁产生的马蹄涡。马蹄涡不仅会在通道内破裂、掺混,诱发通道涡,而且由于其不稳定的流动特性,在叶片前缘端壁产生高传热率,导致叶片前缘端壁被烧毁。因此,设法利用叶片前缘端壁气膜出流去抑制马蹄涡、削弱通道涡和强化端壁冷却效率显得至关重要。本文提出在叶片前缘端壁布置收敛缝形气膜孔的设计思想,这种孔具有圆形进口,而后渐变为出口的窄缝,其具有气膜效率高、气动损失小的特点。 首先在无前缘气膜出流时,使用具有高时间分辨率的TRPIV技术去捕获马蹄涡的非稳定性质,观测到了以往采用时平均测量方法所不能捕获的时序图谱。同时,利用TRPⅣ技术还捕获到了通道中角涡的瞬态特性。通过瞬态与时平均结果的互补,更清楚地认识到叶栅通道端壁二次涡的演变过程。提高自由流湍流度,马蹄涡开始靠近叶片前缘,通道涡形状改变,马蹄涡和通道涡的湍动能增强,马蹄涡非稳定运动的频率降低。 其次,利用TRPⅣ技术探讨了在不同的气膜出流量下,自由流湍流度对端壁流动特性的影响。研究中选用的收敛缝形孔的出进口面积比为1.38,与流向夹角为30。。通过比较可以发现,在不同的湍流度下,此孔的气膜出流都可以抑制前缘马蹄涡,大吹风比时还可以有力地削弱通道涡。在小吹风比下,湍流度对二次流影响较大,且相对低湍流度而言,高湍流度对通道涡削弱的幅度更大;而在大吹风比下,马蹄涡消失,湍流度对二次流影响较小。 最后,利用TRPIV技术捕获收敛缝形孔结构参数对端壁流动特性的影响。利用PLIF技术测量了绝热气膜效率的空间分布。将收敛缝形孔与圆孔进行比较发现,收敛缝形孔的气膜覆盖度更好,在相同出流量下,对马蹄涡的抑制效果更强。选用出流角度为30。、而出进口面积比分别为1.38和0.69的两种收敛缝形孔探讨了收敛缝形孔出口面积对端壁流动特性的影响,通过比较发现,具有不同出进口的面积比的收敛缝形孔都可以抑制马蹄涡,但在相同出流量下,小面积比孔可以达到更高的气膜效率,且更有利于将马蹄涡冲向叶片前缘,对通道涡降低的幅度更大。选用出进口面积比为0.69、而出流角分别为30。和65。的两种收敛缝形孔来研究收敛缝形孔倾角对端壁流动特性的影响,通过比较发现,倾角对端壁二次流的作用很大,30。孔可以抑制马蹄涡、削弱通道涡,而65。孔却扩大了马蹄涡、加强了通道涡。通过对几种不同的收敛缝形孔出流进行对比发现:小出口面积、小出流角度孔的气膜覆盖效果最佳,对端壁二次涡的削弱能力最强。
【学位授予单位】:中国科学技术大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2014
【分类号】:TK477

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【参考文献】
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