【摘要】：燃氣輪機因其輕小,應(yīng)用廣泛,一直以來在航空、發(fā)電以及各種工業(yè)中占有重要的地位。為了降低渦輪葉片表面溫度,氣膜冷卻成為現(xiàn)代燃氣輪機熱端部件設(shè)計最重要的冷卻方式之一,而孔型對提高氣膜冷卻效率又是極其重要的,因此找到冷卻效率高的孔型,并且研究它的流動機理至關(guān)重要。由于計算機技術(shù)的快速發(fā)展,對計算機硬件要求高的模擬方法像大渦模擬逐漸被應(yīng)用,從而能夠在流動機理上更深入的研究渦系結(jié)構(gòu)對氣膜冷卻效果的影響。為了更接近實際情況,越來越多的學者轉(zhuǎn)向流固耦合的研究。本文運用了大渦模擬和流固耦合的方法對開槽圓柱孔進行研究,為工程實際提供有效的參考數(shù)據(jù)。具體研究內(nèi)容如下:首先,采用大渦模擬的方法對開槽圓柱孔橫向紊動射流流動進行數(shù)值模擬分析,與相同工況下圓柱孔流場的渦系結(jié)構(gòu)以及傳熱特性進行比較,從而揭示其流動機理。計算結(jié)果表明:圓柱孔開槽之后主流和射流更加劇烈摻混,反向旋渦對被扭轉(zhuǎn),進而渦系機構(gòu)被紊亂,最終使冷氣無法抬升,所以提高冷卻效率;由于圓柱孔開槽的作用,冷卻氣體在槽內(nèi)進行充分擴散,相比圓柱孔使軸向冷卻范圍更大;根據(jù)渦量等值線的分析,K-H(Kelvin-Helmholtz)不穩(wěn)定性改變了主流和二次流交界面的速度方向和大小,進而影響反向旋渦對的形成。其次,研究了對流和導熱共同作用情況下的流固耦合流動機理�；赗NG k-ε湍流模型和SIMPLEC算法,對開槽圓柱孔在耦合情況下進行數(shù)值模擬,選取吹風比為1、1.25和1.5三種工況進行計算。結(jié)果表明:當吹風比為1時冷卻氣體更能有效的貼附壁面,冷卻效果最好。最后,以吹風比M=1的工況為研究對象,探究了不同導熱系數(shù)對氣膜冷卻的影響,以及絕熱與流固耦合傳熱時溫度分布對比情況。研究表明:相比絕熱情況,耦合傳熱的壁面不僅冷卻效率比較高,冷卻范圍更加寬且均勻,更接近實際。隨著導熱系數(shù)的增加,固體壁面區(qū)域冷卻效果越好,當增大到一定數(shù)值時,整個壁面的冷卻效率幾乎趨于一致,導熱占主導作用,但是對速度場幾乎沒有影響。
【學位授予單位】：東北電力大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TK471
【圖文】：

題背景及意義機是繼蒸汽輪機和內(nèi)燃機廣泛發(fā)展與應(yīng)用之后一套復雜的動力機械個國家高新科技水平，在保護國家安全、改善能源使用比例和實現(xiàn)具有重要意義。燃氣輪機因其起動速度快、質(zhì)量比較輕、幾乎不用性能穩(wěn)定等方面的特點，自 20 世紀 30 年代開始應(yīng)用以后發(fā)展迅速工業(yè)動力、戰(zhàn)車動力等軍民領(lǐng)域占有非常大的比重，對生產(chǎn)等等各膜冷卻概述卻[1-3]在冷卻渦輪葉片起著關(guān)鍵性作用，是現(xiàn)代燃氣輪機設(shè)計最重要燃氣輪機進口溫度超出材料所能承受的限制，會使材料的使用壽命術(shù)主要應(yīng)用于燃氣輪機承受高溫零部件上，大大的減少了燃氣輪機高溫部件壽命的具有重要意義。

圖 1-2 典型的冷卻葉片的燃氣輪機冷卻葉片結(jié)構(gòu)，從圖中我們可以看出，被入燃氣輪機端壁部分，同時端壁上布有不同傾斜角不從氣膜孔出來的同時，達到冷卻端壁作用。其他冷卻擴散，交換一部分熱量，最后從布滿小孔的葉片噴射尾緣會有擾流柱，這些冷的氣體被擾流柱擾動，加強氣和高溫氣體充分混合后，流動結(jié)構(gòu)復雜，在其間會有二次流，此外還會產(chǎn)生頂部流和馬蹄渦等等。

圖 1-2 典型的冷卻葉片圖 1-2 是典型的燃氣輪機冷卻葉片結(jié)構(gòu)，從圖中我們可以看出，被壓氣機壓縮后體通過小孔進入燃氣輪機端壁部分，同時端壁上布有不同傾斜角不同排布的小孔壁的冷卻氣體從氣膜孔出來的同時，達到冷卻端壁作用。其他冷卻氣體會沿著葉冷卻通道不斷擴散，交換一部分熱量，最后從布滿小孔的葉片噴射出來，形成一膜，在葉片的尾緣會有擾流柱，這些冷的氣體被擾流柱擾動，加強了換熱，也可卻的目的。冷氣和高溫氣體充分混合后，流動結(jié)構(gòu)復雜，在其間會有大量的旋渦出 1-2 中表示的二次流，此外還會產(chǎn)生頂部流和馬蹄渦等等。

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