收藏本站
《中国科学技术大学》 2017年
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

不同湍流强度下热障涂层对导向叶片气膜冷却影响的数值研究

Prasert Prapamonthon  
【摘要】:近半个多世纪以来,为了尽可能追求更高的输出功率或者更大的推力,燃气透平发动机的进口温度不断地上升。目前,先进的燃气透平运行温度早已远远超出现有透平叶片材料的使用温度。为了提高透平高温部件在高温、高压下的使用寿命,人们不断研发更加先进的冷却技术。采用内部对流、撞击冷却和外部气膜冷却相结合的方法是延长叶片寿命的有效途径,但是,由于气膜冷却中所采用的冷却气体是从压气机中抽取,因此大量使用冷却气体会降低透平整体效率。在叶片冷却设计中,为了减少高温燃气的对叶片的传热,热障涂层(TBC)与气膜冷却相结合的方法是十分有效的。本论文对现代燃气透平叶片在真实运行工况下的冷却特性进行数值模拟,这一工作的创新点在于:用流-固耦合换热(CHT)数值分析方法,同时呈现气膜冷却和TBC在不同湍流强度(Tu)下的综合作用。与以往的叶片冷却特性数值模拟相比,这一工作的特点是:1)使用CHT数值分析方法,针对具有TBC与前缘喷淋气膜冷却的叶片和全身气膜冷却的叶片,研究不同主流Tu对其综合冷却特性的影响。2)这项研究可以为燃气轮机设计人员和研究者提供相对全面的参考,以获得更好的冷却特性理解和最佳热障涂层策略。因为数值结果表明:在叶片的前缘、尾缘、压力面及吸力面不同的区域,在不同的Tu下,TBC与气膜冷却的组合表现出不同的热防护特性。本文主要研究工作包括:采用CFD软件ANSYS FLUENT,通过数值计算方法,研究湍流强度对透平叶片气膜冷却特性的影响。所用的两种叶片模型均选自Timko报告(NASA CR-168289)并稍作简化。它们分别为:前缘淋浴头式气膜冷却叶片和遍布叶片全身的气膜冷却。首先,本文讨论了 5组两方程湍流模型(Standard k-ε,RNG k-ε,Realizable k-ε,Standard k-ω和SST k-ω)在透平机械流动和传热数值计算中的适用性,分析三组主流湍流强度(Tu=3.3,10,20%)下前缘喷淋式气膜冷却,无TBC叶片在绝热壁面条件下的气膜冷却计算结果。通过比较得出如下结论:1)用这5组湍流模型计算得到的绝热气膜冷却效率在压力侧上均稍低于吸力侧。2)在叶片的前缘和压力侧,由不同湍流模型计算得到的绝热气膜冷却效率存在一定差异。3)由RNG k-ε,Realizable k-ε和SST k-ω湍流模型得到的气膜冷却效率较为相近,其中RNG k-ε和SST k-ω更为接近。4)在吸力侧,除了翼展高度8%处绝热气膜效率随Tu增加而降低,其它地方绝热气膜效率随Tu增加而上升。5)在压力侧靠近尾缘区域,绝热壁面上冷气的扩散长度随Tu增加而减短,但由不同湍流模型得到的气膜覆盖的效果并不同。由于SST k-ω湍流模型被许多学者用来研究跨音速叶片上气膜冷却特性,并以取得较好结果,因此在本文中为了简化计算,仅选取SST k-ω湍流模型并结合CHT数值分析方法,来模拟三组主流湍流强度(Tu=3.3,10,20%)对前缘喷淋式气膜冷却、无TBC叶片的对冷却叶片综合冷却特性的影响,同时将结果与绝热气膜冷却效率相比。由数值结果可得到下列结论:1)以流-固耦合计算方法得到的综合冷却效率随着Tu增加而降低,并且压力侧的降低程度比吸力侧更加显著。2)在叶片前缘区域,当Tu增加时,在气膜孔出口附近综合冷却效率降低,但绝热气膜冷却效率增加。同时,在该区域,随着Tu的变化,综合低冷却效率区域的位置发生明显变化。3)在三个主流Tu下,与绝热气膜效率相比,叶片上的综合冷却效率在绝大部分叶片上均高于绝热气膜冷却效率,且更显均匀。最后,选取CHT数值分析方法和SST k-ω湍流模型,详细讨论在三组湍流强度(Tu =3.3,10,and 20%)下采用TBC与气膜冷却组合的冷却方法来计算前缘喷淋式叶片和全气膜冷却叶片的综合冷却特性,并得到如下有益结论。对于前缘喷淋式气膜冷却与TBC的组合叶片:1)TBC在前缘及其附近有很好的隔热作用,并随着湍流强度增加而隔热效果更为明显。在最高湍流强度下,绝热涂层能降低叶片接近端壁的表面温度40-42K,相当于25%的综合冷却效率。2)对于所有主流Tu,TBC的隔热效果均在叶片靠近下端壁最佳,并沿着翼展高度方向呈现降低趋势。3)TBC在靠近叶片前缘的压力侧的效果高于吸力侧,并随着Tu的增加,效果更为显著。4)同样,在气膜孔出口附近,TBC可能对综合冷却效率产生负作用,原因是TBC阻止了高温叶片将热量传递给较低温度的主流和冷气的混合区。对于全气膜与TBC组合叶片:1)在三组湍流强度条件下,虽然TBC均会显著增加综合冷却效率,但并不改变冷却效率分布趋势。对于当前叶片,与吸力侧相比,TBC在压力侧的隔热效果更好。2)叶片的TBC会增加气膜冷却效率不高区域的隔热效果,如叶片顶部和下端壁附近,在湍流强度20%时增加24%的耦合冷却效率(降低温度约38K)。3)叶片的TBC表现在原气膜冷却效果较好的区域并不理想,例如,在气膜孔出口附近、吸力侧的扩张孔的下游区域以及尾缘区域。4)虽然TBC能阻碍高温气流向叶片传热,但也能阻碍叶片向较低温度的冷气与主流混合区传热,而且随着湍流强度增加,这种阻碍效果更加明显。
【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】:2017
【分类号】:TK471

免费申请
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 张小英,王先炜;比较研究多种气膜冷却模型的冷却效果[J];航空动力学报;2002年04期
2 徐靖中,葛绍岩;弯曲壁面离散孔气膜冷却数值计算[J];工程热物理学报;1983年01期
3 徐靖中,姚永庆,贾建国,葛绍岩,邹福康;凸表面单排孔30°喷射气膜冷却流场近场特性的实验研究[J];工程热物理学报;1984年02期
4 姚永庆,夏彬,葛绍岩,邹福康;双排离散孔在凸表面上气膜冷却有效温比的传质实验研究[J];航空动力学报;1986年01期
5 张鸣远 ,陈学俊 ,邹福康 ,葛绍岩 ,徐靖中 ,陈时钧;双排叉排孔气膜冷却特性研究 (二) 绝热有效温比[J];航空动力学报;1990年01期
6 江涛,刘松龄;曲壁气膜冷却数值计算的研究[J];航空学报;1991年05期
7 朱惠人,许都纯,刘松龄,王宝珑;簸箕形排孔气膜冷却实验研究[J];航空学报;1997年05期
8 蒋雪辉,赵晓路;非定常尾迹对叶片头部气膜冷却的影响[J];航空动力学报;2005年04期
9 张树林,王洪斌;多斜孔板气膜冷却性能试验研究[J];航空发动机;2005年03期
10 姚玉;张靖周;李永康;;带三角形突片气膜冷却结构换热特性的数值研究[J];航空动力学报;2006年04期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 贺安江;;新型气膜冷却孔的数值研究[A];北京力学会第17届学术年会论文集[C];2011年
2 秦晏旻;郭安琪;任静;蒋洪德;;多参数影响下的气膜冷却特性及预测方法[A];中国动力工程学会透平专业委员会2011年学术研讨会论文集[C];2011年
3 沈伟杰;董若凌;施红辉;张晓东;陈伟;;平板气膜冷却绝热效率的实验研究[A];第九届全国实验流体力学学术会议论文集(下册)[C];2013年
4 王文三;唐菲;徐建中;;1+1/2对转涡轮低压动叶前缘气膜冷却的非定常特性研究[A];中国航空学会第七届动力年会论文摘要集[C];2010年
5 陈伟;董若凌;施红辉;沈伟杰;;孔型作用对气膜冷却影响的研究进展[A];第九届全国实验流体力学学术会议论文集(下册)[C];2013年
6 张玲;李少华;朱励;郭婷婷;;旋转叶片气膜冷却孔间冷却死区的数值研究[A];2009中国仪器仪表与测控技术大会论文集[C];2009年
7 赵文毓;王力军;;航空燃气轮机冷却方式的研究[A];大型飞机关键技术高层论坛暨中国航空学会2007年学术年会论文集[C];2007年
8 戴韧;赵志军;王宏光;杨爱玲;;涡轮气膜冷却流动与传热机理的基础研究[A];中国动力工程学会透平专业委员会2010年学术研讨会论文集[C];2010年
9 付佳;易仕和;王小虎;葛勇;朱杨柱;;高超声速钝头体表面超声速气膜冷却的试验研究[A];第十五届全国激波与激波管学术会议论文集(上册)[C];2012年
10 张留欢;徐惊雷;赵琳;裘云;赵磊;郭孝顺;;串联式TBCC单边膨胀可调喷管气膜冷却方案研究[A];中国力学大会——2013论文摘要集[C];2013年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 韩昌;燃气轮机高温透平气膜冷却的孔型机理及叶栅特性研究[D];清华大学;2014年
2 秦晏旻;透平叶栅环境下气膜冷却流动传热机理研究[D];清华大学;2015年
3 柯招清;高温燃气涡轮叶片的内部冷却和脉动气膜冷却的数值研究[D];中国科学技术大学;2016年
4 Prasert Prapamonthon;不同湍流强度下热障涂层对导向叶片气膜冷却影响的数值研究[D];中国科学技术大学;2017年
5 成克用;含化学热沉的气膜冷却流动与换热研究[D];中国科学院研究生院(工程热物理研究所);2013年
6 蒋雪辉;非定常尾迹对气膜冷却影响的研究[D];中国科学院研究生院(工程热物理研究所);2004年
7 丁阳;相反展向复合角气膜冷却特性及应用研究[D];南京航空航天大学;2015年
8 李佳;燃气轮机透平气膜冷却机理的实验与理论研究[D];清华大学;2011年
9 向安定;涡轮叶片型面气膜冷却的研究[D];西北工业大学;2003年
10 刘捷;透平静叶前缘气膜冷却特性的研究[D];中国科学院研究生院(工程热物理研究所);2008年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 高扬;透平气膜冷却与冷气掺混损失研究[D];中国科学院研究生院(工程热物理研究所);2015年
2 张鹏;气膜冷却与复合冷却气热耦合研究[D];中国科学院研究生院(工程热物理研究所);2015年
3 周治华;高压涡轮叶顶间隙气动及传热研究[D];哈尔滨工业大学;2015年
4 姜良;冷热电联供系统径流涡轮流场及其动叶栅气膜冷却数值研究[D];哈尔滨工业大学;2015年
5 高振于;DF/HF激光器新型气膜冷却式喷管的数值模拟和理论设计[D];国防科学技术大学;2013年
6 费微微;跨声速涡轮叶栅气膜冷却特性数值研究[D];南京航空航天大学;2014年
7 蒋兴文;平板气膜冷却的传热特性研究[D];清华大学;2015年
8 王应杰;气膜冷却流场和温度场特性的高速纹影研究[D];浙江理工大学;2016年
9 郑宽;气膜冷却在超燃冲压发动机上的应用及影响因素研究[D];哈尔滨工业大学;2016年
10 裴钰;燃气轮机涡轮叶片表面污染物沉积模型研究[D];中国民航大学;2016年
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62791813
  • 010-62985026