涡轮叶片气膜冷却孔绕流的实验与数值模拟研究

摘要

作为燃气轮机基本循环的布雷顿循环虽早已被人们所认识，但直至二战后人类跨入喷气时代，燃气轮机才得到了快速的发展。燃气轮机是一种知识高密度型动力机械，被誉为“人类工业皇冠上最耀眼的明珠”。独立设计和制造燃气轮机是一个国家工业和科技实力最好的体现。从布雷顿循环的原理来看，提高燃气轮机循环效率的唯一办法就是提高涡轮入口的压力和温度。以美国F-119航空发动机为例，其涡轮最高入口温度已经超过了1900K，远远超出了耐高温金属材料的温度限制。由于这个原因，燃气轮机高温部件必须采取必要的冷却措施，降低高温部件的工作温度，并保障其安全运行和寿命。
　　 气膜冷却在上世纪70年代左右开始运用于航空发动机中，目前已被广泛地运用于现代燃气轮机中。气膜冷却的原理是将压气机的部分空气引入至空心的涡轮叶片中，然后由分布于涡轮叶片表面的冷却孔射入高温燃气主流中。冷却空气在涡轮叶片表面形成一层低温的气膜，对叶片固壁进行防热保护。气膜冷却的研究，要涉及横向流中的射流这一基本而又复杂的经典流体力学问题。为了深入地理解该流动的特点及评估弯曲冷却孔对气膜冷却性能的改善作用，本文将采用风洞实验和CFD数值模拟的方法，以平板上孤立或单排冷却孔和涡轮叶片前缘冷却孔为模型，在多种吹风比条件下，探索和揭示不同几何形状冷却孔下游流场的旋涡结构和湍流相干结构，及其对气膜冷却效率等的影响机理。
　　 首先，搭建了一套平板气膜冷却实验台。在该实验台上，采用二维粒子图像测速(PIV)，对吹风比M=0.5,1.0时的平板孤立直冷却孔和弯曲冷却孔的下游速度场进行了测量，得到了包括对称面及4个流向横截面共5个位置处的瞬时及时均烟雾显示，时均速度及涡量分布等。分析了弯曲冷却孔几何通道对冷却孔出口速度分布、射流平均轨迹及下游湍流场的影响。讨论了弯孔下游尾迹横截面上涡结构的特点及演化过程。实验结果指出，弯曲冷却孔具有较低的射流轨迹，有效地抑制了肾型涡向壁面上方发展，并将气膜抬离壁面的趋势。
　　 为了对弯曲冷却孔改善气膜冷却的效果做评估，运用稳态液晶测温技术，对处于横向流中平板上的孤立、单排圆形直孔和圆形弯曲孔下游的换热特性进行了实验研究，并考察了顺压梯度对气膜冷却的影响。得到了孤立孔在吹风比为0.32～1.18，单排孔的吹风比为0.52～1.22条件下，冷却孔下游附近的当地及横向平均冷却效率和无量纲换热系数。实验结果证明，弯孔对改善气膜冷却具有积极的作用。在所有测试的吹风比下均使冷却效率得到不同程度的提升。
　　 另一方面，在实验研究的基础上，为了弥补实验研究的局限性，运用分离涡方法(DES，Detached-Eddy Simulation)，对吹风比为0.5和1.0的平板上孤立直圆孔和弯曲圆孔下游的换热特性和流场旋涡与湍流结构进行了数值研究，并分析了冷却孔下游旋涡结构和湍流相干运动和发展的特点及弯曲冷却孔改善气膜冷却的机制。
　　 最后，为了评估弯曲冷却孔通道对涡轮叶片前缘冷却效率的影响，采用分离涡模拟方法，以AGTB高压涡轮叶栅为研究对象，在全局吹风比M=0.7的条件下，对前缘吸力面侧和压力面侧分别带有直冷却孔和弯曲冷却孔的叶片绕流场进行了数值模拟研究。结果证明，在具有壁面大曲率和带有顺压梯度的流动环境中，弯曲冷却孔能有效地提高叶片前缘附近的冷却效率。

目录

声明

摘要

物理量名称及符号表

第1章 绪论

1．1 课题研究的背景

1．1．1 燃气轮机的发展概况简述

1．1．2 燃气轮机的冷却技术简述

1．2 气膜冷却的研究现状

1．2．1 冷却孔附近流动结构的研究

1．2．2 冷却孔附近换热特性的研究

1．3 论文的研究目的和主要工作

1．4 论文的结构

第2章 实验装置及测试技术

2．1 引言

2．2 风洞简介

2．3 温度场的测量方法

2．3．1 液晶材料简介

2．3．2 色彩的表述方式

2．3．3 稳态液晶测温技术

2．4 速度场的测量方法

2．4．1 PIV粒子图像测速介绍

2．4．2 PIV系统的组成

2．4．3 PIV的测量原理

第3章 数值模拟方法

3．1 引言

3．2 控制方程

3．2．1 质量守恒方程

3．2．2 动量守恒方程

3．2．3 能量守恒方程

3．3 有限体积法

3．3．1 空间离散

3．3．2 时间离散-多级龙格库塔方法

3．4 双时间步推进法

3．5 收敛加速技术

3．5．1 隐式残差光顺

3．5．2 多重网格技术

第4章 冷却孔下游速度场测量

4．1 引言

4．2 装置及实验方法

4．3 中心对称面的测量

4．3．1 流场瞬时烟雾显示

4．3．2 时均速度场和涡量场

4．4 横向截面的测量

4．4．1 流场瞬时烟雾显示

4．4．2 时均测量结果

4．5 本章小结

第5章 冷却孔下游壁面温度测量

5．1 引言

5．2 实验装置及方法

5．2．1 平板气膜冷却实验台

5．2．2 液晶的标定

5．2．3 实验方法

5．3 孤立孔测量

5．3．1 冷却效率

5．3．2 换热系数

5．4 单排孔测量

5．4．1 冷却效率

5．4．2 换热系数

5．5 气膜冷却总体效果评估

5．6 顺压梯度对气膜冷却的影响

5．6．1 实验条件

5．6．2 顺压梯度对冷却效率的影响

5．6．3 顺压梯度对换热系数的影晌

5．7 本章小结

第6章 气膜冷却的数值模拟

6．1 引言

6．2 冷却孔附近湍流场特征与模拟方法

6．2．1 湍流的基本特点

6．2．2 湍流研究的数值方法

6．3 平板气膜冷却的雷诺时均模拟

6．3．1 研究对象

6．3．2 数值方法

6．3．3 结果与讨论

6．4 平板气膜冷却的分离涡模拟

6．4．1 网格和边界条件

6．4．2 收敛过程

6．4．3 结果与讨论

6．5 叶片前缘气膜冷却的分离涡模拟

6．5．1 研究对象回顾

6．5．2 计算域、网格与边界条件

6．5．3 结果与讨论

6．6 本章小结

第7章 结论与展望

7．1 结论

7．2 创新点

7．3 展望

参考文献

附录

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

攻读博士学位期间参加的科研工作

致谢

作者简介