透平静叶前缘气膜冷却特性的研究

论文摘要

随着燃气轮机透平前燃气温度的不断提高,气膜冷却技术已经成为透平叶片冷却的重要手段之一。作为叶片上热负荷最高的区域,叶片前缘,尤其是滞止线附近的流动极为复杂,受主流滞止、叶片曲率、射流孔排之间的相互作用等多种因素的影响,必须对气膜冷却以及叶片前缘的流动和换热特性进行深入分析,才能为开展有针对性的高温透平气膜冷却设计和改进提供依据。针对这一问题,本论文首先建立了平板气膜冷却实验台,应用热敏液晶测量技术测量射流孔下游的壁面温度分布,进而得到绝热气膜冷却效率和换热系数。文中讨论了不同吹风比、不同射流孔长径比、不同射流注入角等因素对射流孔下游冷却特性的影响,绝热气膜冷却效率被作为衡量不同条件下气膜冷却性能优劣的重要参数;为了补充和验证实验数据,采用CFD软件CFX数值模拟了平板气膜冷却的流动和换热特性;在实验测量和数值模拟结果基础上,深入研究了某重型燃气轮机透平静叶的气膜冷却,分析了静叶前缘及滞止线附近的气膜冷却效果、传热及冷气喷射对气动性能的影响等问题,发现了静叶前缘气膜冷却设计中存在的问题和不足;在此基础上,提出了对静叶前缘气膜冷却结构的五个改进设计方案,并进一步采用CFX对改进设计后的前缘气膜冷却进行数值模拟,分析比较了不同改进设计方案的优劣,探索了提高前缘气膜冷却效果的方法。本文的主要研究结论如下:对于平板气膜冷却,在低吹风比条件下,与主流相比,射流动量较低,受主流影响,射流容易贴附在射流孔下游表面,射流孔近孔区域取得良好的冷却效果;高吹风比条件下,由于射流动量较高,在冷却孔下游容易发生“吹离”和“再附”现象。在低射流孔长径比条件下(L/D=2),射流流动未能在孔内允分发展,射流孔下游的平均冷却效率相对较低;通过设置不同的射流注入角条件来考察不同垂直方向速度分量对射流孔下游冷却特性的影响,极限情况下,即当射流注入角为90°时,低吹风条件下冷却孔下游近孔区域等值线依然呈现锥形分布的特点。对于透平静叶气膜冷却,当冷却孔的出口恰好位于滞止线上时,在压力面侧冷却射流的径向速度分量起主导作用,而在吸力面一侧由于主流的加速作用,射流的径向速度分量相对较弱;当冷却孔的出口位于滞止线一侧时,此时射流的周向速度分量起主导作用。要想获得滞止线及两侧壁面更好的冷却效果,应当沿着滞止线方向定位两排孔,这两排孔分别位于滞止线的各一侧并且交错排列,同时保证滞止线穿过每一个孔的出口边缘,同时要调整这两排孔的径向喷射角,避免径向逆主流喷射。分离结点附近的壁面很难被完全气膜覆盖,通过降低吹风比和增加射流孔出口与分离结点的距离可以获得相对较好的冷却效果。本文的5种改进方案中,方案Ⅴ的改进结果是最好的。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 本文的研究背景及意义
• 1.2 燃气轮机叶片冷却技术
• 1.3 气膜冷却技术
• 1.4 热敏液晶测温技术
• 1.4.1 不同温度测量方法的比较
• 1.4.2 热敏液晶测温原理
• 1.5 气膜冷却研究综述
• 1.5.1 气膜冷却实验研究的发展
• 1.5.2 液晶测温技术的发展
• 1.5.3 气膜冷却数值计算的发展
• 1.6 本文研究内容及论文结构
• 第二章 气膜冷却实验台及数值计算方法
• 2.1 引言
• 2.2 实验台的组成
• 2.3 气膜冷却特性稳态测量理论
• 2.4 热敏液晶测温系统的组成及标定
• 2.4.1 热敏液晶测温系统的组成
• 2.4.2 热敏液晶测温系统的标定
• 2.5 CFX商业软件介绍
• 2.6 湍流模型的选取
• 2.7 本章小结
• 第三章 平板气膜冷却特性的实验与数值研究
• 3.1 引言
• 3.2 平板气膜冷却的实验工况
• 3.3 平板气膜冷却的计算设置
• 3.4 加热情况下数值计算方法的简化
• 3.5 不同吹风比对平板气膜冷却特性的影响
• 3.5.1 实验结果分析
• 3.5.2 计算结果分析
• 3.5.3 实验结果与计算结果的比较
• 3.6 不同射流孔长径比对平板气膜冷却特性的影响
• 3.6.1 实验结果分析
• 3.6.2 计算结果分析
• 3.6.3 实验结果与计算结果的比较
• 3.7 不同射流注入角对平板气膜冷却特性的影响
• 3.7.1 实验结果分析
• 3.7.2 计算结果分析
• 3.7.3 实验结果与计算结果的比较
• 3.8 扇形扩散孔的气膜冷却特性的研究
• 3.8.1 几何结构与计算设置
• 3.8.2 计算结果分析
• 3.8.3 实验结果与计算结果的比较
• 3.9 实验误差原因初步分析
• 3.10 本章小结
• 第四章 透平静叶前缘气膜冷却的数值研究
• 4.1 引言
• 4.2 静叶模型
• 4.2.1 几何与气动参数
• 4.2.2 气膜冷却结构参数
• 4.3 计算方法与网格
• 4.4 仅考虑前缘气膜冷却的结果分析
• 4.4.1 前缘滞止线附近的流动及气膜冷却特性
• 4.4.2 前缘吸力面和压力面的气膜冷却特性
• 4.4.3 叶片吸力面和压力面整体冷却
• 4.5 考虑全部冷却射流的结果分析
• 4.5.1 前缘冷却分析
• 4.5.2 各壁面温度分布
• 4.6 本章小结
• 第五章 透平静叶前缘气膜冷却结构的改进设计
• 5.1 引言
• 5.2 改进设计方案Ⅰ
• 5.2.1 改进设计方法
• 5.2.2 前缘流动与气膜冷却特性分析
• 5.2.3 计算结果与原设计的冷却效率对比
• 5.3 改进设计方案Ⅱ
• 5.3.1 改进设计方法
• 5.3.2 前缘流动与气膜冷却特性分析
• 5.3.3 计算结果与改进方案Ⅰ的冷却效率对比
• 5.4 改进设计方案Ⅲ
• 5.4.1 改进设计方法
• 5.4.2 前缘流动与气膜冷却特性分析
• 5.4.3 计算结果与改进方案Ⅰ的冷却效率对比
• 5.5 改进设计方案Ⅳ
• 5.5.1 改进设计方法
• 5.5.2 前缘流动与气膜冷却特性分析
• 5.5.3 计算结果与改进方案Ⅰ的冷却效率对比
• 5.6 改进设计方案Ⅴ
• 5.6.1 改进设计方法
• 5.6.2 前缘流动与气膜冷却特性分析
• 5.6.3 计算结果与改进方案Ⅰ的冷却效率对比
• 5.7 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 创新点
• 6.3 未来工作展望
• 符号表
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的论文
• 致谢