【摘要】：由于在提高推重比等方面的潛在優(yōu)勢,無導(dǎo)葉對轉(zhuǎn)渦輪將會在未來高性能推進(jìn)系統(tǒng)中發(fā)揮重要作用。根據(jù)氣動布局特征,無導(dǎo)葉對轉(zhuǎn)渦輪高壓級具有高負(fù)荷和高反力度的特點(diǎn),在此情況下,氣流在高壓級動葉內(nèi)的膨脹程度很高,出口相對馬赫數(shù)會達(dá)到1.3-1.5,動葉葉道內(nèi)氣流的高加速性以及與之相關(guān)的激波結(jié)構(gòu)勢必會對動葉表面的換熱特性產(chǎn)生重要影響。為了研究無導(dǎo)葉對轉(zhuǎn)渦輪高壓級動葉的換熱特性,本文研制了適用于旋轉(zhuǎn)測量的雙面薄膜式熱流計(jì),組建了高速旋轉(zhuǎn)動態(tài)測量系統(tǒng),并發(fā)展了相應(yīng)的薄膜式熱流計(jì)設(shè)計(jì)和旋轉(zhuǎn)測量方法。在上述工作基礎(chǔ)上,本文依托于中國科學(xué)院工程熱物理研究所(IET)短周期渦輪試驗(yàn)臺開展了對全尺寸無導(dǎo)葉對轉(zhuǎn)渦輪試驗(yàn)件的高速旋轉(zhuǎn)換熱試驗(yàn),并結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果和CFD對無導(dǎo)葉對轉(zhuǎn)渦輪高壓級動葉在不同進(jìn)口雷諾數(shù)下的換熱特性進(jìn)行了研究。本文涉及的主要研究內(nèi)容及結(jié)論如下:1.系統(tǒng)的分析了薄膜式熱流計(jì)薄膜厚度對熱流計(jì)性能的影響,分析表明膜厚增加有利于提高信噪比,但是會導(dǎo)致高頻熱流結(jié)果所被引入的不確定度增大。本文提出了一種基于系統(tǒng)辨識理論的動態(tài)標(biāo)定方法,能夠有效降低薄膜厚度增加對高頻熱流結(jié)果所造成的影響。2.基于磁控濺射技術(shù)研制了雙面薄膜式熱流計(jì),并形成了完整的設(shè)計(jì)、制造和標(biāo)定方法,同時(shí)基于數(shù)字遙測技術(shù)組建了高速旋轉(zhuǎn)動態(tài)測量系統(tǒng),并在此基礎(chǔ)上發(fā)展了適用的旋轉(zhuǎn)測量方法。實(shí)踐表明整個(gè)旋轉(zhuǎn)測量系統(tǒng)運(yùn)行可靠,各項(xiàng)參數(shù)均能夠滿足實(shí)際應(yīng)用需求。3.基于全尺寸高速旋轉(zhuǎn)換熱試驗(yàn)結(jié)果和CFD對無導(dǎo)葉對轉(zhuǎn)渦輪高壓級動葉的靜態(tài)換熱特性進(jìn)行了分析,發(fā)現(xiàn)吸力面氣流加速極快,局部加速系數(shù)K會超過3×10-6,此時(shí)邊界層具備"再層流化"的條件。在氣流的強(qiáng)加速性下,動葉葉表邊界層在吸力面大部分區(qū)域維持為層流邊界層,這導(dǎo)致吸力面葉表換熱從前緣開始隨著邊界層增厚而不斷降低。在吸力面后半段,相鄰葉片尾緣投射的斜激波與葉表發(fā)生干涉而致使邊界層分離,這直接促成邊界層由層流轉(zhuǎn)捩為湍流,即發(fā)生"分離轉(zhuǎn)捩",此時(shí)葉表換熱會急劇升高。同時(shí),隨著進(jìn)口雷諾數(shù)增加,吸力面表面的換熱會整體增強(qiáng),尤其對于分離轉(zhuǎn)捩之后的湍流邊界層,換熱的增強(qiáng)效應(yīng)更加明顯。4.基于全尺寸高速旋轉(zhuǎn)換熱試驗(yàn)結(jié)果對無導(dǎo)葉對轉(zhuǎn)渦輪高壓級動葉的動態(tài)換熱特性進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)在吸力面前半段,葉表換熱隨著上游導(dǎo)葉排尾跡的通過會呈現(xiàn)出明顯的周期性脈動現(xiàn)象。隨著尾跡向下遷移,尾跡所引起的局部湍流區(qū)逐漸變寬,葉片后半段換熱會因尾跡而持續(xù)得到增強(qiáng),但周期性脈動現(xiàn)象會得到減弱。在吸力面后半段,葉片表面的換熱除了受上游尾跡的影響外,還會受到下游葉排的影響。同時(shí),隨著進(jìn)口雷諾數(shù)的增加,吸力面葉表非定常換熱的脈動幅值會整體降低。
[Abstract]:Because of its potential advantages in improving the ratio of thrust to weight, the unguided vane pair turbine will play an important role in the future high performance propulsion system. According to the characteristics of aerodynamic layout, the unguided vane has the characteristics of high load and high reactivity to the rotating turbine high pressure stage. In this case, the expansion degree of the airflow in the high pressure turbine stage is very high. The relative Mach number of the outlet will reach 1.3-1.5. The high acceleration of the airflow and the associated shock wave structure will have an important influence on the heat transfer characteristics of the moving blade surface. In order to study the heat transfer characteristics of rotating turbine high pressure stage moving vane without guide vane, a double side thin film heat flow meter suitable for rotating measurement is developed in this paper, and a high speed rotating dynamic measuring system is constructed. The design and rotation measurement method of thin film heat flow meter are developed. On the basis of the above work, the high-speed rotating heat transfer test of full-size non-guide vane rotating turbine was carried out on the (IET) short-period turbine test-bed of the Institute of Engineering Thermal Physics of the Chinese Academy of Sciences. Combined with the experimental results and CFD, the heat transfer characteristics of the unguided vane counterrotating turbine high pressure moving vane at different inlet Reynolds numbers were studied. The main contents and conclusions of this paper are as follows: 1. The effect of film thickness on the performance of thin film heat flux meter is analyzed systematically. It is shown that the increase of film thickness is helpful to improve SNR, but the uncertainty of high frequency heat flux is increased. In this paper, a dynamic calibration method based on system identification theory is proposed, which can effectively reduce the effect of film thickness increase on the results of high frequency heat flux. Based on the magnetron sputtering technology, a double-sided thin film heat flux meter is developed, and a complete design, fabrication and calibration method is formed. At the same time, a high-speed rotating dynamic measurement system is constructed based on the digital telemetry technology. On this basis, a suitable rotation measurement method is developed. Practice shows that the whole rotating measurement system is reliable and all parameters can meet the practical application requirements. 3. Based on the results of full-scale high-speed rotating heat transfer test and CFD, the static heat transfer characteristics of the high pressure rotor blades of a turbine with no guide vane are analyzed. It is found that the suction surface airflow accelerates extremely quickly. The local acceleration coefficient K will exceed 3 脳 10 ~ (-6), and the boundary layer has the condition of "relayer fluidization". Under the strong acceleration of airflow, the blade surface boundary layer is maintained as laminar flow boundary layer in most areas of suction surface, which leads to the decrease of blade surface heat transfer from the front edge to the thickening of the boundary layer. In the latter half of the suction surface, the oblique shock projected from the tail edge of the adjacent blade interferes with the blade surface and results in the separation of the boundary layer, which directly contributes to the boundary layer transition from laminar flow to turbulence, that is, "separation transition", in which the heat transfer on the blade surface increases sharply. At the same time, with the increase of inlet Reynolds number, the heat transfer on the surface of suction surface will be enhanced as a whole, especially for turbulent boundary layer after separation transition, the enhancement effect of heat transfer is more obvious. Based on the results of full-scale high-speed rotating heat transfer test, the dynamic heat transfer characteristics of the high pressure rotor blade of a turbo with no guide vane are studied. It is found that in front of the suction, the dynamic heat transfer characteristics of the rotor blade are studied. The heat transfer of the blade surface shows obvious periodic pulsation with the passage of the upstream guide vane wake. With the wake moving downwards, the local turbulence caused by the wake gradually widens, and the heat transfer in the second half of the blade continues to increase because of the wake, but the periodic pulsation will be weakened. In the latter half of the suction surface, the heat transfer on the blade surface is affected not only by the upstream wake, but also by the downstream blade row. At the same time, with the increase of inlet Reynolds number, the pulsation amplitude of unsteady heat transfer on the suction surface blade surface will be reduced as a whole.
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院工程熱物理研究所
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：V231.1

【相似文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 李向陽;成文俊;趙永杰;楊琳梅;;高溫高速氣體射流沖擊傾斜平板的換熱特性研究[J];機(jī)電設(shè)備;2011年04期

2 楊震;趙振興;郭琴琴;劉宏;曹子棟;;煤粉加壓氣化爐對流段換熱特性試驗(yàn)[J];重慶大學(xué)學(xué)報(bào);2011年10期

3 葛夢然;閆柯;高軍;葛培琪;;空間錐形螺旋彈性管束換熱特性數(shù)值分析[J];石油機(jī)械;2011年11期

4 李葉;劉圣春;饒志明;楊旭凱;;冰漿儲存與融化及流動換熱特性研究現(xiàn)狀及展望[J];低溫與超導(dǎo);2012年11期

5 韓雅慧;;氣體壓力對氣流沖擊平板換熱特性的影響研究[J];制造業(yè)自動化;2012年24期

6 劉東;蔣斌;陳飛;;微方肋冷卻系統(tǒng)的換熱特性[J];強(qiáng)激光與粒子束;2013年02期

7 常海萍，，黃太平，陳萬兵;渦輪葉片與輪盤間樅樹型榫頭間隙中的流動與換熱特性試驗(yàn)研究[J];TRANSACTIONS OF NANJING UNIVERSITY OF AERONAUTICS & ASTRONAUTICS;1995年01期

8 杜東興,李志信,過增元,岳敏;微細(xì)光滑管內(nèi)可壓縮流動換熱特性的數(shù)值研究[J];清華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版);2000年11期

9 莊正寧,唐桂華,朱長新;不凝氣體存在時(shí)水平管束冷凝換熱特性的試驗(yàn)研究[J];西安交通大學(xué)學(xué)報(bào);2000年07期

10 翁錦萍,魏琪,吳志剛;兩相閉式熱虹吸管換熱特性的數(shù)值模擬[J];節(jié)能技術(shù);2000年01期

相關(guān)會議論文 前10條

1 董志銳;劉松齡;張玉金;許都純;游紹坤;楊林;;渦輪葉柵端壁區(qū)的流動和換熱特性試驗(yàn)研究[A];面向21世紀(jì)的科技進(jìn)步與社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展（下冊）[C];1999年

2 李汶蔚;孫立成;李勇;;豎直管內(nèi)蒸汽冷凝強(qiáng)化換熱特性研究[A];中國核科學(xué)技術(shù)進(jìn)展報(bào)告（第二卷）——中國核學(xué)會2011年學(xué)術(shù)年會論文集第3冊（核能動力分卷（下））[C];2011年

3 徐紹琨;陳寶明;汲水;;小尺度流道換熱器換熱特性的實(shí)驗(yàn)研究[A];山東省暖通空調(diào)制冷2007年學(xué)術(shù)年會論文集[C];2007年

4 張圓圓;姬長發(fā);毋震;;酒窩板換熱器換熱特性的實(shí)驗(yàn)研究[A];第二屆中國西部綠色低碳節(jié)能減排及可再生能源技術(shù)研討會論文集[C];2010年

5 黃翔超;丁國良;胡海濤;高屹峰;;R410A—油混合物在5mm光管內(nèi)冷凝換熱特性的實(shí)驗(yàn)研究[A];上海市制冷學(xué)會2009年學(xué)術(shù)年會論文集[C];2009年

6 劉家琛;巨永林;;低溫絕熱管內(nèi)液氮兩相流動換熱特性研究[A];上海市制冷學(xué)會2013年學(xué)術(shù)年會論文集[C];2013年

7 張宗衛(wèi);朱惠人;趙曙;郭濤;;射流、旋流、出流共同作用下矩形通道換熱特性研究[A];中國航空學(xué)會第七屆動力年會論文摘要集[C];2010年

8 寧靜紅;劉圣春;彭苗;李惠宇;;R290管內(nèi)凝結(jié)換熱特性與凝結(jié)機(jī)制分析[A];第十屆海峽兩岸冷凍空調(diào)技術(shù)研討會論文集[C];2011年

9 雷菲寧;徐小煒;蘇亞欣;;結(jié)構(gòu)參數(shù)對內(nèi)置式PV-Trombe墻內(nèi)換熱特性影響[A];高等學(xué)校工程熱物理第十九屆全國學(xué)術(shù)會議論文集[C];2013年

10 侯亞麗;汪建文;;微管道內(nèi)壁面平均溫度的實(shí)驗(yàn)測量[A];高等學(xué)校工程熱物理第十九屆全國學(xué)術(shù)會議論文集[C];2013年

相關(guān)博士學(xué)位論文 前10條

1 張雙;數(shù)據(jù)中心用泵驅(qū)動兩相冷卻回路換熱特性研究[D];北京工業(yè)大學(xué);2015年

2 徐曉;無導(dǎo)葉對轉(zhuǎn)渦輪高壓級動葉換熱特性的研究[D];中國科學(xué)院工程熱物理研究所;2017年

3 郭聰;被動式冷卻系統(tǒng)中的流動冷凝及其對系統(tǒng)換熱特性的影響[D];中國科學(xué)院研究生院(工程熱物理研究所);2015年

4 路廣遙;管束通道內(nèi)單相及兩相沸騰換熱特性及流動特性的研究[D];上海交通大學(xué);2008年

5 莊兆意;直接式原生污水源熱泵系統(tǒng)的防堵技術(shù)及換熱特性研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2012年

6 杜東興;可壓縮性及粗糙度對微細(xì)管內(nèi)流動及換熱特性的影響[D];清華大學(xué);2000年

7 熊鈞;HCFC123高溫工況下水平管外冷凝換熱特性研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2006年

8 劉東;高熱流密度微結(jié)構(gòu)散熱器換熱特性的研究[D];中國科學(xué)技術(shù)大學(xué);2011年

9 陳華軍;旋轉(zhuǎn)曲線管道內(nèi)流動結(jié)構(gòu)與換熱特性研究[D];浙江大學(xué);2003年

10 孫多斌;供暖空調(diào)管網(wǎng)流體輸配與換熱特性的研究[D];大連理工大學(xué);2007年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前10條

1 曾俊雄;流場渦旋核心分布對雙工質(zhì)冷卻帶肋通道換熱特性的影響[D];大連交通大學(xué);2015年

2 何院;旋轉(zhuǎn)條件下典型形狀孔結(jié)構(gòu)流動與換熱特性研究[D];南京航空航天大學(xué);2014年

3 史學(xué)捷;對轉(zhuǎn)渦輪盤腔內(nèi)的流動和換熱特性研究[D];中國民用航空飛行學(xué)院;2016年

4 徐世杰;大氣壓強(qiáng)對艙內(nèi)空氣流動與傳熱特性的影響研究[D];東南大學(xué);2015年

5 郝玲;冰漿在管道中流動換熱特性的研究[D];天津商業(yè)大學(xué);2016年

6 段煉;傾斜和肋化靶面陣列射流沖擊換熱特性研究[D];南京航空航天大學(xué);2016年

7 徐義凱;微型間歇式回?zé)崞髁鲃蛹皳Q熱特性研究[D];南京航空航天大學(xué);2016年

8 蔣蔚;雙層壁微小尺度夾層沖擊換熱特性研究[D];沈陽航空航天大學(xué);2017年

9 楊巧文;管內(nèi)單相流動與傳熱特性的研究[D];安徽理工大學(xué);2017年

10 趙明明;熱泵冷熱源污水的換熱特性研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2008年

本文編號：2237692