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《西北工业大学》 2017年
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涡轮叶片前缘新型气膜冷却结构的流动换热机理研究

赵丹  
【摘要】:涡轮叶片前缘区域由于直接受到高温燃气的冲击,往往是涡轮叶片热负荷最大的区域,过高的温度和热应力可能导致涡轮叶片无法正常工作,因此必须采用一定的冷却技术来保证涡轮叶片在高温的条件下正常运转。在诸多的冷却技术中,气膜冷却技术是一种应用较为广泛的冷却方式,而在涡轮叶片前缘气膜冷却的研究中,孔排结构和异形气膜孔的研究已逐渐成为研究者关注的焦点。在涡轮导叶前缘新型气膜冷却结构研究方面,本文用数值模拟方法详细研究了基于两种气膜孔形(圆柱形孔和y形孔)的新型对冲孔排结构(同排对冲孔排结构和错排对冲孔排结构)在叶片前缘的气膜冷却机理,分析对比了不同吹风比下新型气膜冷却结构流动换热特性参数的分布规律。主要得出以下结论:相比于圆柱形孔冷却结构,y形孔冷却结构下的气膜孔同时具有展向倾角和流向倾角,所以气膜冷却效率更高,气膜覆盖面积更大,这一特点在大吹风比下更为明显,且孔形对第一排与第二排气膜孔之间气膜冷却效率的影响远高于对第二排气膜孔下游区域气膜冷却效率的影响;在小吹风比工况下,孔排结构对前缘表面气膜冷却效率的影响较小,在大吹风比工况下,当气膜孔同向倾斜布置时,气膜的叠加效应更加明显,所以同向倾斜圆柱形孔结构下的气膜冷却效率呈现出沿展向递增的分布规律,而在两种圆柱形孔对冲结构下,对冲位置下游区域的气膜冷却效率最高前缘两侧靠近端壁处气膜冷却效率最低,气膜冷却效率分布整体呈现出中间高两边低的变化规律;在各个吹风比工况下,气膜孔形和孔排结构对气膜孔下游区域换热系数分布的影响都较小。对于四种新型对冲结构,孔排间气膜射流的相互作用对第二排气膜孔下游的气膜冷却特性有很大的影响。在小吹风比工况下,孔排间气膜射流对转涡的相互作用减弱了第二排孔对冲位置下游的气膜覆盖效果;反之,在大吹风比工况下,孔排间气膜射流对转涡的相互作用显著增强了第二排孔对冲位置下游的气膜覆盖效果。孔排间气膜射流对转涡的相互作用减弱了第二排孔对冲位置下游的换热强度,这一特点在大吹风比下尤为明显。在涡轮动叶前缘新型气膜冷却结构研究方面,本文针对一种新型前缘凹槽气膜冷却结构的流动换热机理进行了详细的数值模拟研究,分析对比了不同吹风比下凹槽深度对叶片前缘气膜流动换热特性参数的影响。主要得出以下结论:凹槽结构对叶片前缘表面气膜冷却效率的影响较大,这一特点在小吹风比下更加明显,而对换热系数的影响较小。在小吹风比工况下,在前缘无凹槽结构中,二次流经第一排孔射入主流腔之后很快在主流的压制作用下流向下游,而在前缘凹槽结构中,二次流经第一排凹槽孔射入主流腔之后,由于受到凹槽几何结构的影响,气膜射流在凹槽内沿着展向方向流动,随后在主流的作用下流向下游,所以相比于前缘无凹槽结构,凹槽结构在整个前缘区域的气膜冷却效果显著增强,冷却效率明显提高;凹槽深度对前缘表面气膜冷却效率的影响较大,气膜冷却效率随着前缘凹槽直径的增大而逐渐减小,这一特点在大吹风比下更为明显;三种凹槽结构下的气膜冷却效率沿着展向方向逐渐增大,而换热系数沿着展向方向逐渐减小,这一特点在大吹风比下更加明显。
【学位授予单位】:西北工业大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TK471

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【参考文献】
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