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燃气透平导叶气热耦合实验与数值研究

张超  
【摘要】:准确预测燃气透平叶片的热负荷及温度分布,对于透平叶片冷却设计和冷却效率评价、提高安全性和持久性都很重要。目前,预测叶片温度的方法包括传统热分析方法和气热耦合方法,本文对传统热分析中热边界条件的影响、气热耦合中毕渥数的影响、气热耦合对气膜冷却效果的影响等进行了较为系统的数值和实验研究,并采用气热耦合方法对某透平导叶原型闭式蒸汽冷却结构进行了数值分析和改进设计。 利用MarkII叶片实验数据和固体导热计算方法,研究了叶片外表面换热系数分布对壁面温度分布的影响。结果表明,叶片外表面温度分布与换热系数分布紧密关联。当换热系数为平板经验关联式(层流、湍流)时,预测得到的温度与实验值偏差较大;当换热系数由采用可预测转捩的湍流模型数值计算得到时,预测得到的温度分布与实验值较为接近,等热流条件下预测的结果符合最好。 建立了平面叶栅实验台和多相机图像采集与分析处理系统,采用窄带液晶单色捕捉技术测量得到了无气膜冷却叶片在第一类边界条件下的的换热系数分布,应用宽带液晶稳态测量技术得到了耦合状态不同毕渥数下的叶片外表面换热系数分布。结果表明,不同热边界条件下的换热系数分布有所差异,在吸力面转捩区域差异最为明显。 利用气热耦合方法研究了毕渥数和吹风比对平板气膜冷却展向平均总体效率、纯气膜冷却效率和壁面热流的影响。结果表明,在气热耦合状态下,由于固体的导热,展向总体冷却效率高于绝热气膜冷却效率;展向平均纯气膜冷却效率随吹风比的变化与绝热时相比趋势一致但数值偏低,并且气膜孔对上游区域也有冷却作用;存在气膜被壁面加热的特殊区域,使用常见定义计算气膜冷却换热系数时,在壁面特定位置处换热系数出现奇异或为零,这说明目前的换热系数定义用于壁面同时存在正负热流的情况时不够严谨。 对某透平导叶闭式蒸汽冷却原型设计进行了整体气热耦合计算和分析,发现原型设计存在若干低冷却效率区域。通过对各冷却流路的流动和换热进行分析,发现了原型冷却结构设计的主要问题,并针对各低冷却效率区域进行了相应的冷却结构改进设计,使低冷却效率区域得到抑制或消除,叶片表面面积平均温度下降14K。


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