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《中国科学院大学(中国科学院工程热物理研究所)》 2018年
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透平叶片气膜冷却及冷气掺混损失研究

林晓春  
【摘要】:随着对燃气轮机性能的要求不断提高,对透平叶片冷却技术的要求也越来越高。气膜冷却是燃气轮机的关键冷却技术之一,采用气膜冷却技术,一方面能够降低叶片金属温度,另一方面由于冷气出流和主流的掺混导致的掺混损失降低透平的气动性能,进而影响整机效率。为了降低气膜冷却的掺混损失,需要在研究气膜冷却效果的同时,对冷气与主流的掺混过程和掺混机理进行深入研究,发展具有良好适用性的掺混损失模型用来预测掺混损失。本文采用DES和SAS方法对平板模型气膜冷却进行了非定常数值模拟研究。对气膜孔下游速度场的频域分析发现,冷气在气膜孔出口会破碎成具有较高特征频率的小尺度涡,这些小涡脱离气膜孔出口后会相互融合,形成尺度稍大特征频率稍低的涡。随后大涡稳定地向下游流动,并在与主流掺混不断的掺混过程中逐渐耗散。根据涡结构的变化,可以将气膜冷却的冷气出流与主流的掺混过程分为“脱体-融合-耗散”3个阶段,而气膜冷却的流场则可以对应分为气膜孔区、脱体区、融合区和发展耗散区四个区域。融合后的脱体涡即是肾形涡对的三维结构。采用RANS方法对叶栅压力面和吸力面气膜冷却进行了数值模拟研究。应用熵产率对数值结果进行了分析,验证了熵产率分析法预测掺混损失的有效性,同时也证明了其在处理叶型损失改变情况下的局限性。采用总压损失系数对结果进行分析发现,孔内流动损失、掺混损失和总损失均与冷气和主流的动能比成线性关系。基于这一发现,初步拟合出可以预测气膜冷却叶栅总压损失系数的计算关联式,作为掺混损失模型的基础形式。采用五孔探针测量技术和PSP测量技术分别对叶栅压力面和吸力面气膜冷却损失特性及冷却效果进行了实验测量。为了使总压损失系数对于无冷却叶片和气膜冷却叶片具有相同的物理意义,对传统总压损失系数的计算过程进行了分析,提出采用理想虚拟掺混过程确定与冷气和主流等价的初始状态的进口参数,并以此状态做基础计算总压损失系数。这一计算总压损失系数的新方法,考虑了冷气和主流的状态差别,与传统方法相比具有更加明确的物理意义。采用这一方法对实验结果进行处理,发现孔排位置和孔型对掺混损失具有明显的影响,且两者的影响大致相当。据此在总压损失系数计算关联式中添加无量纲主流速度因子来计入孔排位置带来的影响,并用实验数据拟合出掺混损失模型。孔排位置同样对气膜冷却效果也有较大的影响,通过增加主流速度影响因子,提出一种改进的叶栅气膜冷却计算关联式。这一关联式可以根据平板气膜冷却效果计算叶栅气膜冷却效果。对前缘、尾缘和端壁的气膜冷却结构的冷却特性进行了实验测量和分析。前缘顺排布置的气膜孔,由于前后排之间冷气出流的相互干涉,增强了冷气在展向的扩散,提高了气膜覆盖区域的冷却效果,同时也增大了掺混损失。叉排布置则相反,前后排冷气出流之间的相互干涉减弱,冷气在展向的扩散也较弱,但这种布置提高了下游气膜覆盖区域,平均气膜冷却效果反而有所提高,同时掺混损失也较顺排更小。增大劈缝宽度,会明显提高冷气出流的展向扩散和冷却效果,但同时也使得冷气出流与劈缝侧壁的相互作用加剧,增加了二次流损失。端壁不同孔排气膜孔所处的叶栅流动环境不同,主导冷气出流的主要影响因素也不相同。叶栅前缘之前的孔排冷气出流主要受叶片前缘滞止和绕流区影响;靠近通道前部孔排所处位置压力梯度较大,冷气出流不均匀;通道后部的孔排处于通道涡和壁面二次流完全发展的区域,冷气出流被限制在吸力面和端壁的角区内,提高了此处的气膜冷却效果,同时也使掺混损失也急剧增加。
【学位授予单位】:中国科学院大学(中国科学院工程热物理研究所)
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:TK471

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