平板气膜冷却的实验分析

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1、浙江理工大学硕士学位论文平板气膜冷却的实验研究主要符号表英文字母M尸PS丁矿UX、Y、Z而弛VW丁丁’ReDDH三IR口§KS希腊字母VI吹风比湍动能生产项流体所受压力控制方程的源项时间变量Is】控制体积流体速度[m／s】坐标变量直角坐标变量直角坐标下的速度分量[m／s]温度[K】有效温比，气膜冷却绝热效率雷诺数射流孔直径水力直径，有效直径特征长度湍流长度尺度湍流强度曲率半径气膜孔的入射倾角湍流湍动能[m2／s2】湍流耗散率[m2／s3】浙江理工大学硕士学位论文平板气膜冷却的实验研究∥p∞Qr西D上、下角标i。j。kC，，2WVⅡ动力粘度[Pa／s】流体密

2、度[kg／m3]角速度旋转率张量雷诺应力通用变量运动粘度张量表达时均值脉动值；修正值射流主流，自由气流壁面浙江理工大学硕士学位论文平板气膜冷却的实验研究1．1本文的研究背景和意义第一章绪论燃气轮机作为现代社会生产、制造、航空、发电等领域中的重要动力机械，在国民生产和军事国防中占有重要地位。随着科学技术的发展，生产生活中对燃气轮机动力输出性能的要求越来越高。根据热力学的基本原理，提高燃气轮机热效率的一个重要技术途径就是提高燃气轮机转子进口来流气体温度和更大的压力比，如图1．1口1。。?堂≮≥芑＼静雷篁酶留图1．1燃气轮机进口温度与燃气轮机循环比功率输出关系但

3、是随着进口温度的提高会造成燃气轮机的工作环境恶化，导致燃气轮机的重要工作部件，如涡轮叶片、燃烧室、尾部排气管等的可靠性降低、安全系数减小和使用寿命缩短。所以，近数十年来国内外为了满足不断提高的燃气轮机循环温度的需求，解决途径主要可概括两个：一个为研制新型的耐高温、密度小、具有足够机械强度的代替材料或在涡轮叶片等部件表面加陶瓷涂层等，另一个为采用高效的冷却技术用以保护燃气轮机的高温部件，如图1．2瞳3。浙江理工大学硕士学位论文平板气膜冷却的实验研究挂图1．2近年来燃气轮机进口温度变化图1．2中可以看出，目前燃气轮机采用的冷却方式基本为4种，分别为：对流冷却、

4、冲击冷却、气膜冷却和发散冷却等。冷却技术的应用使得燃气轮机的工作温度已经从1950年未使用冷却技术的1200K提高到现在的2000K左右。气膜冷却技术是近些年燃气轮机冷却技术中研究较多的一种。本论文以气膜冷却中的平板冷却作为研究模型，以孔型、吹风比与射流孔排列位置等因素对绝热效率的影响为研究重点，通过实验研究和数值模拟加以验证的方式，依托红外热像仪等仪器来观察、记录实验现象和数据，揭示吹风比、射流角度、射流孔的布置方式等因素对绝热效率的影响规律。1．2气膜冷却技术概述“气膜冷却是从处于高温环境的表面上的一个或多个离散孔中引入二次气流(冷却工质或射流)，以保

5、护射入区域和下游区域的表面”‘31如图1．3n1pl’iRj；，’j¨：Jlj譬,ld令‘t也：涡轮⋯’J；‘仆，是斯形J段薄膜仪∥t瑶图1．3气膜冷却示意图∞m08642C21l1)I＼瑙礴Ⅱ封牛蝌一浙江理工大学硕士学位论文平板气膜冷却的实验研究射流气体出孔后，由于主流气体的压迫和壁面的摩擦力作用使得冷却气体向下游弯曲，贴附在涡轮叶片表面附近，形成温度较低的薄膜保护层，对涡轮叶片进行保护。衡量气膜冷却特性的重要参数为气膜冷却绝热效率，其表达方式卜(1)77=再Taw-TooT。。指冷却壁面表面的温度T。指主流的温度T。指射流的温度绝热系数n的值表示了气膜

6、冷却的效率。当绝热壁面的温度降到和冷却射流同一个温度时，绝热效率达到最大值。影响气膜冷却绝热效率的因素是多种多样的，具体可归纳为三大类：一类包括射流孔尺寸(D)、形状、长径比、射流角度(流向倾角Q，侧向倾角B)和多孔的布置方式(孔间距P／D，排间距S／D)等孔结构参数，一类包括吹风比(M：盟)、动量比，：垒錾∑、密度比(DR：立)和来流湍流度(垒业)P。甜。(pu‘)。P。ft。等流动参数，第三类为冷却壁面的结构参数包括冷却壁面粗糙度、冷却壁面曲率和导热系数等。1．3国内外气膜冷却技术的研究现状对气膜冷却的研究开始于二十世纪四十年代。在国外，刚开始气膜冷却

7、的研究主要是为了防止飞机机翼的受冻，热气从机翼的二维槽缝中喷射出来达到保护效果。直到二十多年后，航空燃气轮机的出现，需要对燃气轮机中的涡轮叶片进行保护，才把这项技术移植到了燃气轮机中，并将射流气体由热气改成低温气体达到保护的作用。这种防护性的冷却保护技术，除了可以对涡轮叶片进行保护外，对燃气轮机的其他工作部件也可以进行保护，包括燃烧室、喷管等其他高温部件等，由于其应用是极其广泛，得到了国内外众多研究者的重视。国内对气膜冷却的研究要晚于国外，就目前的情况来说，国内对气膜冷却的研究仍然无法赶上国外的研究，如果我们想要在燃气轮机和航空发动机方面不受浙江理工大学硕

8、士学位论文平板气膜冷却的实验研究国外的压制，必须在气膜冷却研究方面