高载荷涡轮叶片气动特性实验与数值研究

摘要

本文通过实验与数值模拟相结合的方式研究了燃气涡轮高、低压叶片的气动及传热特性。首先，在低压风洞实验台上，对低压导叶及动叶进行了平面叶栅实验。通过控制叶栅进气角和出口雷诺数，分析叶栅的气动性能，其中低压导叶雷诺数变化范围自0.8×105至4.0×105，低压动叶雷诺数变化范围自0.9×105至3.0×105，攻角均从-10°增加至+10°，得到叶栅出口总压、马赫数、气流角、叶片表面静压分布及叶栅出口平均总压损失。实验结果表明随着雷诺数的上升，动叶及导叶的总压损失系数均呈现出下降的趋势，叶栅后出口总压、马赫数则不断增长，而叶栅出口角和叶片表面静压系数没有变化。当攻角从-10°至+10°逐渐增加时，动叶及导叶的总压损失也在不断增加，叶栅尾缘处的出口总压、马赫数则随之减小。叶栅出口气流角在-10°、-5°及0°时基本保持一致，然而当正攻角时，出口角随着攻角的增加而明显增大。
　　然后，利用CFX对低压动叶不同相对节距（自0.5至1.0范围内，间隔0.1）进行了数值模拟，发现数值结果与实验较吻合，且当相对节距为0.9时，总压损失系数最小。相对节距每增加0.1，叶栅出口角就相应增加大约2°。叶片表面在出口处产生了扩压段，且不断向叶栅入口处前移，幅度不断加大，加大了叶型损失。
　　最后，数值模拟了高压导叶在气膜冷却下，叶片表面温度场及冷却效率的变化。对比了在有无冷气通入时叶片表面温度场的变化。在叶栅前缘部分通入相同质量流量冷气的情况下，将马赫数Ma（自0.6至0.9）及相对冷气量Qc（自0.25至1.0）作为控制变量，分析叶片表面气膜冷却效率?的变化，其结论如下：叶片表面温度场在通入冷气时有着很大幅度地下降。随着马赫数的增加，叶片表面最低温度也相应降低，其幅度为每间隔0.1个马赫数，温度降低5K左右。对比叶栅前缘与整体通冷气时，叶片表面温度场随马赫数变化时的情况可以发现，在相同马赫数下，两者在叶栅前缘处温度场并没有发生明显的变化，而叶栅尾缘处则产生了十分明显的升温现象。随着马赫数的增长，尾缘处温度场发生了明显的下降。叶片前缘通入不同相对冷气量时，随着相对冷气量的减少，在不同马赫数下，吸力面(suction surface)气膜冷却效率的峰值均逐渐向叶片尾缘方向移动且气膜冷却效果也相应弱化。而对于压力面(pressure surface)，气膜冷却效率的最大值不随相对冷气量的大小而改变。

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第一章绪论

1.1 课题研究的背景及意义

1.2 气膜冷却国内外研究现状

1.3 本文的主要研究工作

第二章实验装置及实验方法

2.1 引言

2.2 实验设备

2.3 风洞品质测试

2.4 测试方案

2.5实验数据后处理

2.6 本章小节

第三章数值计算方法与模型

3.1 引言

3.2 数值模拟程序

3.3 湍流模型

3.4 网格离散化的基本方法

3.5 网格的分类

3.6 本章小结

第四章低压平面叶栅性能测试

4.1 引言

4.2 低压平面叶栅实验分析

4.3 低压动叶不同节距下数值计算分析

4.4 本章小结

第五章高压涡轮气膜冷却性能研究

5.1 引言

5.2 数值模拟前准备工作

5.3叶片表面温度场研究

5.4 叶片前缘气膜冷气效率研究

5.5 本章小结

第六章结论

参考文献

攻读硕士学位期间所发表的论文

致谢