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涡轮叶片型面气膜冷却的研究

向安定  
【摘要】: 本文根据中国燃气涡轮研究院提供的叶型数据设计并加工了叶栅通道实验段以及试验叶片,实验研究在西北工业大学的大尺寸低速叶栅传热风洞中进行。 首先在主流雷诺数Re_∞=250,000~450,000范围内对叶片型面不同叶高位置的压力系数进行了测量,研究了主流雷诺数和离端壁距离Z对型面静压分布的影响;测量了Re+∞=100,000~450,000、二次流吹风比BR=0.5~2.5范围内导叶型面15排气膜孔的流量系数,以及Re_∞=250,000~450,000、BR=0.5~2.5范围内动叶型面8排气膜孔的流量系数,研究了主流雷诺数和二次流吹风比对气膜孔流量系数的影响;并在此基础上,系统测量了上述实验工况范围内导叶与动叶型面单排孔以及多排孔情况下型面的冷却效率分布,分析讨论了气膜孔位置、二次流吹风比和主流雷诺数对型面气膜冷却效率分布规律的影响。研究结果表明叶片吸力面端壁附近区域压力系数分布呈现出较强的三维特性,动叶吸力面尤其明显;气膜孔流量系数随吹风比的增加而增大,在高吹风比情况下,流量系数逐渐趋于常数;在不同型面区域,冷却效率分布有较大的差异,而且吹风比与主流雷诺数的影响程度也不尽相同;低吹风比下,孔出口下游附近可以得到较好的冷却,中、高吹风比下,冷气射流在加速流动主流的作用下返回壁面进行二次冷却,孔下游较远区域可以得到较好的冷气覆盖。 本文对D.A.Rowbury等提出的流量系数工程算法进行了改进,计算结果和实验数据的比较表明改进后的新模型使低吹风比和前缘驻点附近流量系数的计算得到了明显的改进,而在高吹风比下仍能保持与实验数据相符,这种算法有可能成为低压比情况下型面气膜冷却的一种通用设计方法。 研究并发展了用低雷诺数k-ε紊流模型为基础的气膜冷却计算方法,将前人针对平板提出的掺混模型推广应用于涡轮叶片型面,得到了与实验数据符合良好的结果。 最后本文还对没有气膜冷却时的叶栅流动与传热问题以及型面气膜冷却的流动与传热问题进行了详细的三维紊流数值模拟,计算采用RNG k-ε紊流模型,近壁面实施标准壁面函数处理。结果表明数值模拟从定性的角度较好的模拟了叶栅端壁附近的流动和型面换热规律以及型面气膜冷却的流动与传热问题,但在数值上的准确性还需要进一步的改进和提高。


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