本文關鍵詞：透平葉柵環(huán)境下氣膜冷卻流動傳熱機理研究

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【摘要】：氣膜冷卻是當代燃機透平冷卻的重要手段,隨著透平負荷的增加,透平葉片中的壓力梯度及流動折轉也越來越強,這使得氣膜冷卻與透平流動環(huán)境間具有愈來愈強的相干性。準確預測透平復雜環(huán)境下氣膜冷卻的傳熱及流動特性顯得愈發(fā)重要。本文將透平環(huán)境抽象模化為曲率及壓力梯度兩個參數(shù),針對這兩個參數(shù)對氣膜冷卻流動傳熱特性的影響規(guī)律及其機理開展了一系列實驗、理論及數(shù)值研究,并基于此發(fā)展得到了考慮曲率及壓力梯度的氣膜冷卻有效度一維修正方法。壓力敏感漆(PSP)技術是氣膜冷卻傳熱特性測量的主要技術手段,針對PSP技術的誤差分析表明,在系統(tǒng)誤差方面,其主要包含傳熱傳質比擬所造成的誤差及實際應用中由于多元傳質所帶來的誤差這兩個方面。氣膜冷卻由對流主導,傳熱傳質比擬原理基本成立,誤差較小。而PSP測量絕熱氣膜冷卻有效度隨機誤差較小,本文絕大多數(shù)工況下隨機誤差小于10%。以透平模化參數(shù)下的氣膜冷卻有效度實驗結果為基礎,研究曲率及壓力梯度對不同孔型氣膜冷卻有效度的影響規(guī)律及其機理。結果發(fā)現(xiàn),曲率及壓力梯度通過改變氣膜冷卻的吹離特性,流向耗散及側向擴散特性改變氣膜冷卻傳熱表現(xiàn)。而其綜合作用表現(xiàn)為:對于無復合角圓孔,當動量比小于某特定數(shù)值時凸面有效度最高,而高于該點時,則反之,流向順壓會增大該點數(shù)值,實驗工況范圍內該判定點的取值范圍為0.55-0.75;對于復合角氣膜冷卻,凸面氣膜冷卻在所有吹風比下有效度均最高;扇形孔氣膜冷卻在彎曲表面上均不及平板情況。基于各參數(shù)的影響規(guī)律,通過理論分析,提出了吹離修正系數(shù)、流向耗散修正系數(shù)和側向擴散修正系數(shù)這三個曲率及壓力梯度對氣膜冷卻有效度的影響系數(shù),獲得了一套適用于無復合角圓孔、復合角圓孔和扇形孔的統(tǒng)一曲率及壓力梯度修正方法。該方法定量預測精度高,在適用工況范圍內,對于絕大多數(shù)情況,其預測相對誤差小于10%,并且穩(wěn)定性好。完成了不同流動工況,不同孔型全葉片氣膜冷卻有效度實驗,進一步驗證了曲率及壓力梯度修正方法在實際葉片氣膜冷卻有效度預測中的有效性。針對透平環(huán)境下氣膜冷卻的氣動特性,在評價氣膜冷卻氣動損失時,高吹風比氣膜射流帶入的動量較大,其影響不能忽略,需要采用考慮射流總壓的動能損失系數(shù)作為評價參數(shù)。氣膜冷卻動能損失系數(shù)隨著吹風比的增大而增大。主流順壓能夠減小氣膜冷卻氣動損失,而復合角則會較大幅度提高氣膜冷卻氣動損失。
【關鍵詞】：燃氣輪機 氣膜冷卻 曲率 壓力梯度 經驗公式
【學位授予單位】：清華大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TK471
【目錄】：

• 摘要3-4
• Abstract4-10
• 主要符號對照表10-14
• 第1章 引言14-38
• 1.1 課題的背景及意義14-21
• 1.1.1 燃氣輪機及其冷卻技術14-18
• 1.1.2 透平葉片氣膜冷卻18-20
• 1.1.3 氣膜冷卻與透平主流的交互作用20-21
• 1.2 透平葉柵環(huán)境氣膜冷卻特性21-32
• 1.2.1 氣膜冷卻流動傳熱機理21-25
• 1.2.2 透平葉柵環(huán)境氣膜冷卻傳熱特性25-27
• 1.2.3 曲率及流向壓力梯度對氣膜冷卻傳熱特性的影響27-31
• 1.2.4 透平葉柵環(huán)境氣膜冷卻氣動特性31-32
• 1.3 氣膜冷卻的研究方法32-36
• 1.3.1 實驗手段32-34
• 1.3.2 經驗公式34-35
• 1.3.3 數(shù)值模擬35-36
• 1.4 本文的研究目的和主要內容36-38
• 1.4.1 研究現(xiàn)狀總結36-37
• 1.4.2 本文的研究目的及技術路線37-38
• 第2章 氣膜冷卻實驗臺及測量技術38-56
• 2.1 本章引論38
• 2.2 氣膜冷卻機理研究實驗臺38-41
• 2.2.1 實驗臺結構38-39
• 2.2.2 主流風洞系統(tǒng)39-40
• 2.2.3 二次供氣系統(tǒng)40
• 2.2.4 基礎流動參數(shù)測量設備40
• 2.2.5 曲率及壓力梯度氣膜冷卻實驗段及測量系統(tǒng)40-41
• 2.3 高亞音速葉柵氣膜冷卻實驗臺41-45
• 2.3.1 實驗臺總體特性41-42
• 2.3.2 主流風洞系統(tǒng)42-43
• 2.3.3 二次供氣系統(tǒng)43-44
• 2.3.4 葉柵實驗段及測量系統(tǒng)44-45
• 2.4 壓力敏感漆實驗技術45-53
• 2.4.1 壓力敏感漆測量原理45-46
• 2.4.2 壓力敏感漆標定方法46-48
• 2.4.3 壓力敏感漆的誤差分析48-53
• 2.5 五孔探針實驗技術53-54
• 2.6 本章小結54-56
• 第3章 氣膜冷卻數(shù)值計算方法56-65
• 3.1 本章引論56
• 3.2 雷諾時均方法及傳統(tǒng)渦粘模型56-59
• 3.2.1 控制方程56-57
• 3.2.2 雙方程渦粘湍流模型57-59
• 3.3 各向異性湍流模型59-63
• 3.3.1 各向異性修正方法59-60
• 3.3.2 湍流模型的驗證60-63
• 3.4 參數(shù)化網格生成及計算平臺63-64
• 3.5 本章小結64-65
• 第4章 曲率及壓力梯度對氣膜冷卻傳熱特性的影響機理65-95
• 4.1 本章引論65-66
• 4.2 曲率及壓力梯度實驗設置和數(shù)值計算方法66-71
• 4.2.1 實驗對象及參數(shù)設置66-68
• 4.2.2 實驗有效性驗證68-70
• 4.2.3 數(shù)值計算方法及其驗證70-71
• 4.3 曲率對氣膜冷卻的影響機理71-79
• 4.3.1 曲率對氣膜冷卻影響的理論研究71-73
• 4.3.2 不同曲率下的氣膜冷卻實驗結果及其分析73-79
• 4.4 流向壓力梯度對氣膜冷卻的影響機理79-90
• 4.4.1 流向壓力梯度對平面氣膜冷卻的影響79-83
• 4.4.2 流向壓力梯度對凸面氣膜冷卻的影響83-86
• 4.4.3 流向壓力梯度對凹面氣膜冷卻的影響86-90
• 4.5 流向壓力梯度和曲率對氣膜冷卻的綜合影響90-93
• 4.5.1 存在流向壓力梯度下的徑向壓力平衡分析90-91
• 4.5.2 流向壓力梯度和曲率影響下的氣膜冷卻整體特性91-93
• 4.6 本章小結93-95
• 第5章 孔型結構對透平環(huán)境氣膜冷卻傳熱特性的影響機理95-117
• 5.1 本章引論95
• 5.2 復合角對透平環(huán)境氣膜冷卻的影響機理95-106
• 5.2.1 復合角氣膜冷卻的結構95-96
• 5.2.2 復合角對氣膜冷卻的影響96-97
• 5.2.3 曲率對復合角氣膜冷卻的影響97-99
• 5.2.4 流向壓力梯度對復合角氣膜冷卻的影響99-105
• 5.2.5 曲率及流向壓力梯度對復合角氣膜冷卻的綜合影響105-106
• 5.3 扇形孔對透平環(huán)境氣膜冷卻的影響機理106-115
• 5.3.1 扇形孔氣膜冷卻的結構106-107
• 5.3.2 扇形孔對氣膜冷卻的影響107-108
• 5.3.3 曲率對扇形孔氣膜冷卻的影響108-110
• 5.3.4 流向壓力梯度對扇形孔氣膜冷卻的影響110-114
• 5.3.5 曲率及流向壓力梯度對扇形孔氣膜冷卻的綜合影響114-115
• 5.4 本章小結115-117
• 第6章 透平環(huán)境下氣膜冷卻有效度修正方法及其驗證117-140
• 6.1 本章引論117
• 6.2 平板氣膜冷卻經驗公式117-121
• 6.2.1 簡單圓孔公式118-119
• 6.2.2 復合角圓孔公式119-120
• 6.2.3 扇形孔公式120-121
• 6.3 曲率及壓力梯度修正方法121-123
• 6.3.1 吹離特性修正121-122
• 6.3.2 流向耗散修正122
• 6.3.3 側向擴散修正122-123
• 6.4 不同孔型的修正公式及其實驗驗證123-129
• 6.4.1 簡單圓孔修正公式123-125
• 6.4.2 復合角圓孔修正公式125-127
• 6.4.3 扇形孔修正公式127-129
• 6.5 氣膜冷卻葉柵實驗及對一維修正方法的驗證129-138
• 6.5.1 高亞音速平面葉柵氣膜冷卻實驗設置129-131
• 6.5.2 單排孔氣膜冷卻有效度驗證131-134
• 6.5.3 全葉片氣膜冷卻驗證134-136
• 6.5.4 圓孔全葉片氣膜冷卻驗證136-138
• 6.6 本章小結138-140
• 第7章 流向壓力梯度對氣膜冷卻氣動特性的影響機理140-157
• 7.1 本章引論140
• 7.2 實驗設置及數(shù)值計算方法140-143
• 7.2.1 實驗對象及參數(shù)設置140-141
• 7.2.2 數(shù)值計算方法及驗證141-143
• 7.3 流向壓力梯度下的氣膜冷卻射流系數(shù)143-146
• 7.3.1 流向壓力梯度對射流系數(shù)的影響143-145
• 7.3.2 復合角對射流系數(shù)的影響145-146
• 7.4 流向壓力梯度下的氣膜冷卻總壓損失系數(shù)146-151
• 7.4.1 流向壓力梯度對總壓損失系數(shù)的影響146-149
• 7.4.2 復合角對總壓損失系數(shù)的影響149-151
• 7.5 流向壓力梯度下的氣膜冷卻動能損失系數(shù)151-155
• 7.5.1 動能損失系數(shù)的定義151-152
• 7.5.2 流向壓力梯度對氣膜冷卻動能損失系數(shù)的影響152-154
• 7.5.3 復合角對氣膜冷卻動能損失系數(shù)的影響154-155
• 7.6 本章小結155-157
• 第8章 結論與展望157-161
• 8.1 本文工作總結157-160
• 8.2 本文主要創(chuàng)新點160
• 8.3 未來工作展望160-161
• 參考文獻161-172
• 致謝172-174
• 個人簡歷、在學期間發(fā)表學術論文與研究成果174-175

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本文編號：1117092