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《中国科学技术大学》 2017年
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大温比下端壁气膜冷却与气膜孔-涡发生器组合冷却的实验研究

袁瑞明  
【摘要】:燃气透平的进口温度的上升可以直接提高航空发动机或重型燃气轮机的工作效率。目前先进燃气透平的进口温度已经达到1800℃以上,远远超过现有燃气透平端壁材料的许可温度。因此,为了在高效率下保持燃气轮机高温部件合理的使用寿命,研发端壁高效冷却技术十分重要。然而,叶栅通道内复杂的二次流直接冲刷端壁表面,导致端壁表面换热系数分布严重不均匀,这给合理设计端壁气膜孔分布带来挑战。在先进的透平叶栅设计中,常常需要布置多排气膜孔实现端壁全气膜覆盖式冷却。众所周知,端壁表面的高温主流环境、叶栅通道的二次流以及端壁表面气膜孔冷气出流产生的旋涡都会影响端壁的气膜冷却特性,其中,燃气与冷气的温度比就是影响端壁全气膜冷却的一个关键因素。在先进燃气透平中,冷、热气流温度比通常大于2.0。但是,纵观近几十年来国内、外发表的端壁气膜冷却的研究文献可以发现:大多数实验在主流与冷气流温差很小的条件下进行的,其中,不乏实验研究是利用异形气体模拟气膜冷却中的冷、热气体密度比,在主流与冷气流无温度差(两种气体只有密度差)的条件下进行气膜冷却特性研究。然而,事实上,正如美国赖特-帕特森空军中心研究者所论述的:温度比反映的不仅仅是冷、热气流的密度差异,还折射冷、热气流的热导率、比热容和黏度等热物性的变化。因此,在允许的实验条件下,研究冷、热气流温度比对气膜冷却特性的影响,可以更加准确地了解气膜冷却特性,对端壁表面优化冷却设计意义重大。本文在某第一级导叶端壁表面轴向均匀布置了 10排复合角度圆形气膜孔来实现全气膜覆盖。并在精确可控的高温热风洞实验平台上,通过远红外热像测温技术,研究了主流温度变化对叶栅端壁表面传热的影响;吹风比、温度比以及主流雷诺数对端壁表面全气膜综合冷却特性的影响,揭示了冷、热气流在不同温比下端壁气膜冷却特性表现的差异。在上述研究的基础上,通过在气膜孔上游和下游布置四面体斜坡来改变主流与冷却流的相互作用,以提高冷气的覆盖面积。为了突出单纯的冷气与主流的混合特性,不考虑固体结构导热作用的影响,本文在主流和冷气流无温差的条件下,利用平面激光诱导荧光(PLIF)这种空间浓度测量技术,从三维立体角度出发,研究了不同吹风比下,四面体斜坡的位置,朝向和高度对气膜覆盖特性的影响,为下一步在大温比下优化冷却结构设计提供参考。
【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】:2017
【分类号】:V231.1

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【参考文献】
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