Film Cooling Performance Investigation for Novel Trenches

摘要

日益提高的透平进口温度（TET）对燃气轮机叶片冷却提出了更高的要求，本文旨在提出并研究一种新型的气膜冷却结构来实现这一目标。在本论文中，采用ANSYS CFX12.1来预测带新型冷却沟槽的气膜冷却性能，并对于在平板和叶片上的三种新型气膜孔的气膜冷却效率进行了研究。
　　所提出的第一种新型冷却沟槽是包含两个沟槽的多沟槽冷却结构，一个宽沟槽叠加一个从宽沟槽伸出的窄沟槽。利用这种多沟槽结构，冷却空气射流通过沟槽壁的两次作用，增强了冷却工质在沟槽内和叶片表面的侧向铺展，降低了射流速度，使射流更好的覆盖在被冷却表面。本文探讨了三种不同的湍流模型的预测精度，包括k-ε, k-ω和SST Gamma Theta模型等。本文研究的吹风比在0.5-5范围内变化。此外还研究了节距-直径比对多沟槽气膜孔的影响。多沟槽冷却效果和已有实验的窄沟槽及其他情况进行了充分对比，结果表明，多沟槽结构在吹风比M=0.5和M=1的情况下，其空间平均绝热冷却效率比窄沟槽分别提高了80％和65%。多沟槽冷却结构的另外一个好处是在提供同样的冷却效果的同时可以减少冷却流量。对于多沟槽结构的孔间距-直径比的参数化研究表明，获取孔径-节距比P/D的最佳值，对于减少冷却工质流量、减少制造时间和成本，以及提高气膜冷却效率具有重要的作用。在本文研究条件下，相对节距等于2.775时，具有最好的冷却效果。
　　研究的第二种新型冷却结构是分孔结构。本文探索了二十六种不同的分孔结构型式，并与实验数据进行了对比。论文分别研究了沟槽深度和宽度的影响，以及冷却沟槽采用分孔结构和下游曲边后的冷却效果。并在不同深度和宽度下，对于两种不同组合沟槽的冷却效果进行了分析。
　　在上述冷却结构的研究中，吹风比值分别为0.5,1和2，模拟给出了压力系数等参数的分布情况。模拟结果和实验结果的对比显示，在轴向分割孔的情况下，射流速度降低到仅有原值的一半，其结果是冷却射流抬起高度的下降，这种下降有效降低了冷却射流对于流动主流的干扰，提高了流动效率。当吹风比为M=0.5时，带有分割孔结构的射流平均速度为6.8m/s,而非分割孔的射流平均速度为12.5 m/s。当吹风比为M=1时，相比于实验，横向平均冷却效率增加了69%，在沟槽中加入分割孔有效改善了冷却工质的横向扩展。研究结果还表明，沟槽的深度，宽度和形状对于沟槽的冷却效率具有重要的影响。计算结果显示，冷却气流在沟槽内的扩张，以及射流与下游边缘的接触面积是控制冷却强化的重要因素。同时，结果显示，采用分割孔有助于降低湍流水平，从而降低叶片表面的传热。与实验相比，最大空间平均冷却效率将提高57.61%，而最差空间平均效率将降低-43.7%。同时结果也清楚表明，带有分割孔冷却结构的峰值压力要明显低于不带分割孔结构的峰值压力。
　　第三部分研究了将多沟槽冷却孔结构应用到典型的带有实验结果的冷却涡轮叶片 C3X的吸力面上。本文研究的吹风比范围为0.5-3。模拟对比了C3X吸力面和平板的绝热冷却效率，结果表明，在小的吹风比时，曲率使冷却流体被阻塞在下游的角落，而平板流体没有受到阻挡直接流出沟槽，因此，曲率将使得叶片表面的气膜冷却效率降低。叶片多沟槽冷却结构的内部涡流要比平板情况增强。随着吹风比的增加，多沟槽结构可以有效地提高叶片的绝热冷却效率，而且在所有吹风比情况下都没有观察到气膜被吹断的现象。

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NOMENCLATURE

CHAPTER 1 INTRODUCTION

1.1 Background

1.2 High Performance Gas Turbine Developments

1.3 Gas Turbine Engines Description

1.4 The March Toward Higher Temperatures

1.5 Objectives of the Present Work

1.6 Thesis Organization

CHAPTER 2 LITERATURE SURVEY

2.1 Introduction

2.2 Cooling Techniques

2.3 Development of Film Cooling to Optimize Film Cooling Performance

2.4 Surface Curvature Effects on Film Cooling in the Engine

2.5 Density Ratios Effects on Film Effectiveness

2.6 The Aerodynamics of Film Cooling Jets

2.7 Film Holes Embedded in Transverse Trenches

2.8 Using Different Turbulence Models on Configurations

2.9 Turbulence Models Description

CHAPTER 3 EXPERIMENTAL VALIDATIONS

3.1 Introduction

3.2 Temperature as a Function in Dimensionless Parameters

3.3 Computational Domain and Mesh Generation

3.4 Boundary Conditions

3.5 Comparison between the Numerical Results and the Experimental Data

3.6 Velocity Contours for Narrow Trench

3.7 Near-Field Flow Phenomena

3.8 Effect of Cross Flow Boundary Layer

3.9 Turbulent Kinetic Energy

3.10 Summary

CHAPTER 4 THEORETICAL FILM COOLING PERFORMANCE OF MULTI TRENCH CONFIGURATION ON FLAT PLATE

4.1 Introduction

4.2 Computational Domain and Mesh Generation

4.3 Boundary Conditions

4.4 Results and Discussion

4.5 Summary

CHAPTER 5 FILM COOLING PERFORMANCE OF DIVIDED HOLE AND NEW TRENCH CONFIGURATIONS

5.1 Introduction

5.2 Computational Domain and Mesh Generation

5.3 Boundary Conditions

5.4 Choosing the Suitable Turbulence Model

5.5 Results and Discussion

5.6 Summary

CHAPTER 6 THEORETICAL FILM COOLING EFFECTIVENESS INVESTIGATION ON C3X VANE SUCTION SIDE WITH MULTI TRENCH CONFIGURATION

6.1 Introduction

6.2 Computational Domain and Mesh Generation

6.3 Boundary Conditions

6.4 Results and Discussion

6.5 Summary

CONCLUSIONS

参考文献

APPENDIX (A) MULTI TRENCH STEP HEIGHTS INVESTIGATION

PUBLICATIONS

致谢