隨著對燃氣輪機性能的要求不斷提高,對透平葉片冷卻技術的要求也越來越高。氣膜冷卻是燃氣輪機的關鍵冷卻技術之一,采用氣膜冷卻技術,一方面能夠降低葉片金屬溫度,另一方面由于冷氣出流和主流的摻混導致的摻混損失降低透平的氣動性能,進而影響整機效率。為了降低氣膜冷卻的摻混損失,需要在研究氣膜冷卻效果的同時,對冷氣與主流的摻混過程和摻混機理進行深入研究,發(fā)展具有良好適用性的摻混損失模型用來預測摻混損失。本文采用DES和SAS方法對平板模型氣膜冷卻進行了非定常數值模擬研究。對氣膜孔下游速度場的頻域分析發(fā)現(xiàn),冷氣在氣膜孔出口會破碎成具有較高特征頻率的小尺度渦,這些小渦脫離氣膜孔出口后會相互融合,形成尺度稍大特征頻率稍低的渦。隨后大渦穩(wěn)定地向下游流動,并在與主流摻混不斷的摻混過程中逐漸耗散。根據渦結構的變化,可以將氣膜冷卻的冷氣出流與主流的摻混過程分為“脫體-融合-耗散”3個階段,而氣膜冷卻的流場則可以對應分為氣膜孔區(qū)、脫體區(qū)、融合區(qū)和發(fā)展耗散區(qū)四個區(qū)域。融合后的脫體渦即是腎形渦對的三維結構。采用RANS方法對葉柵壓力面和吸力面氣膜冷卻進行了數值模擬研究。應用熵產率對數值結果進行了分析,驗證了熵產率分析法... 

【文章來源】：中國科學院大學(中國科學院工程熱物理研究所)北京市

【文章頁數】：147 頁

【學位級別】：博士

【部分圖文】：

圖１．１透平葉片冷卻技術發(fā)展史ｉｎ??Ｆｉｇｕｒｅ?１．１?Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ?Ｈｉｓｔｏｒｙ?ｏｆ?Ｔｕｒｂｉｎｅ?Ｂｌａｄｅ?Ｃｏｏｌｉｎｇ?Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ??

透平葉片氣膜冷卻及冷氣出流摻混損失研究??標。圖１．２給出了氣膜冷卻過程中各項參數的定義。其中，２＾和＼分別代表主??流氣體和冷氣出流氣體的速度，７；和Ｉ；分別代表主流氣體和冷氣出流氣體的溫??度。代表氣膜氣體的溫度，ｒｗ代表壁面的溫度。??上流??冷卻射流Ｇ，７；?Ｔ＇ｖ??圖１．２氣膜冷卻參數定義Ｗ??Ｆｉｇｕｒｅ?１．２?Ｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎ?ｏｆ?Ｆｉｌｍ?Ｃｏｏｌｉｎｇ?Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ??由此將氣膜冷卻效果／７定義為，??（ｉ．ｉ）??Ｔｍ￣Ｔｃ??在實驗和實際應用中，氣膜氣體的溫度７｝難以與主流精確區(qū)分和測量，因而??采用壁面溫度７；代替氣膜氣體溫度７｝�？紤]到固體傳熱，壁面的實際溫度７；將??受到壁面材料的熱傳導率和葉片厚度等因素影響，所以在目前的氣膜冷卻研究中??通常使用絕熱壁面溫度７；ｗ。因而絕熱氣膜冷卻效果可以定義為

吹風比定義為：??ＢＲ＝Ｐ＾ｃ＿?（１．３）??Ｐ，ｎＵｍ??式中和Ａｎ分別表示冷氣密度和主流密度。吹風比表征了冷氣出流氣體密流??與主流氣體密流之比，是最早用于氣膜冷卻研宄的比參數。９０年代針對圓柱孔??進行的大量研究［５］［６］［７］［８］顯示，單排圓柱孔的絕熱氣膜冷卻效果與吹風比的大小有??關。小吹風比時，氣膜冷卻效果隨著吹風比增大而升高，當吹風比超過０．５以后，??氣膜冷卻效果逐漸下降。這主要是因為大吹風比下，冷氣出流具有較高的動量，??以一定的入射角度噴射后會穿透邊界層進入主流，使壁面的氣膜覆蓋區(qū)域減小，??降低氣膜冷卻效果。在計算流體力學（ＣＦＤ）數值模擬的幫助下，進一步認識氣??膜冷卻的原理有了可能。Ｌｅｙｌｅｋ和Ｚｅｒｋｌｅ［９］通過比較數值計算和實驗結果，揭示??了氣膜冷氣出流的流動細節(jié)，發(fā)現(xiàn)冷氣出流在進入主流之后，會形成一對反向旋??轉渦對，又稱為腎形渦對。Ｆｒｉｃ和Ｒ〇ｓｈｉｋ〇？給出了腎形渦對的示意圖，如圖１．３??所示。高吹風比下，反向旋轉渦對會將主流的高溫燃氣從外側卷吸到冷氣出流下??方，因此會極大地降低氣膜冷卻效果。??Ｔ．?Ｆ．?Ｆｒｉｖ?ａｎｄ?Ａ．?Ｒｎｓｈｋｏ??

【參考文獻】：
期刊論文
[1]全氣膜冷卻葉片表面換熱系數和冷卻效率研究[J]. 張宗衛(wèi),朱惠人,劉聰,孟慶昆.  西安交通大學學報. 2012(07)

博士論文
[1]透平葉柵環(huán)境下氣膜冷卻流動傳熱機理研究[D]. 秦晏旻.清華大學 2015
[2]燃氣透平葉片氣膜冷卻設計及多場耦合分析[D]. 王湛.中國科學院研究生院（工程熱物理研究所） 2012
[3]燃氣輪機透平氣膜冷卻機理的實驗與理論研究[D]. 李佳.清華大學 2011



本文編號：3580914