冷却介质出流对透平叶片内、外流体运动特性影响的实验研究

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1、万方数据UniversityofScienceandTechnologyofChinaAdissertationfordoctor’SdegreeExperimentalInvestigationsofCoolantInjectionEffectsonInternaIandExternaIFlowCharaCteriStiCSofTurbineBladeAuthor’SName：speciality：Supervisor：Finishedtime：JianPuEngineeringThermalPh

2、ysicsProf．Dr．一ing．JianhuaWangOctober,2014万方数据中国科学技术大学学位论文原创性声明本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作所取得的成果。除己特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均己在论文中作了明确的说明。作者签名：满憧涌●囊签字日期：垄』坐!!：墨中国科学技术大学学位论文授权使用声明作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用

3、权，即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入《中国学位论文全文数据库》等有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。本人提交的电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。保密的学位论文在解密后也遵守此规定。町蚕开口保密(——年)作者签名：塑壹鳞——导师签名：签字日期：2p陴J1．3签字日期：垫!生!!：≥万方数据摘要叶片和端壁是构成燃气轮机透平叶栅的两大重要组成部分。随着透平进口温度的不断提高，对叶片和端壁进

4、行更加高效的冷却是提高燃气轮机运行寿命的一个重要手段。目前，在先进的燃气透平叶栅设计中，普遍采用的是具有内部蛇形冷却通道和外表面局部离散气膜孔的空心叶片，且在端壁的表面设置大量气膜孔以防止高温燃气烧蚀。众所周知，在强化对流换热中，冷、热气体流动特性是影响流．固换热效率的基本因素，因此，详细了解“叶片冷却通道内流动、叶栅通道端壁流动、及气膜出流对这些流动的影响”可以帮助透平设计人员更好地了解复杂的传热机制，有利于设计者优化现有的冷却技术，进而发展新的冷却技术，最终达到“在消耗最小的冷气量的前提下，获取

5、最高冷却效率”这一目的。从流体力学的角度进行分析，透平叶片内部蛇形冷却通道中的流动与叶栅通道端壁的流动都涉及到现代流体力学中“流动分离与二次涡形成”这一研究难题，因此本文将这些问题进行合并研究。通过利用粒子图像测速(ParticleImageVelocimetry,PiV)、时序粒子图像测速(Time—ResolvedPIV，TRPIV)和平面激光诱导荧光(PlanarLaserInducedFluorescence，PLIF)等先进流动测量技术，对“具有顶部气膜出流的真实叶片蛇形冷却通道内流动性质

6、”和“具有叶片前缘气膜出流的线性平面叶栅端壁流动的时平均和瞬态性质”进行了详细测量。数据和图像分析所得到的结论可以为透平设计者提供非常有价值的参考。本文的研究内容共分为两大部分：第一部分，冷却介质出流对透平叶片内部流体运动特性影响的实验研究。真实叶片内部蛇形冷却通道内的流动情况非常复杂，其受到通道截面形状、叶片表面气膜出流、进口雷诺数等一系列因素的影响。以具有真实叶片横截面和冷气出口的完整冷却通道作为研究模型，将有助于详细地了解实际叶片通道内冷却工质的真实流动性质。本文利用五轴数控铣床在透明有机玻璃

7、上加工出具有真实叶片横截面、顶部气膜孔和尾缘射流出口的整体冷却通道。这个冷却通道被两块分隔板分成了三个小通道，其中，第一通道与第二通道由一个1800急转弯连接，并且在第一通道的顶部开设有一个气膜孔：第二通道与第三通道由一个半圆形转弯连接，并且在第三通道开设了一个顶部气膜孔和25个尾缘射流出口。首先，利用PW技术对通道内流动结构进行了测量，发现了在以往研究中使用的简化双通道内不能观察到的二次流特征，即：由真实叶片横截面和急转弯共同作用导致在蛇形冷却通道的急转弯下游存在着二次涡的混合过程。因此，保持通道

8、横截面的形状尽量逼近真实叶片横截面将有利于设计者更详细地了解叶片冷却通道内真实的二次流流动机制。其次，考虑到冷却介质压力分布的研究对叶T万方数据摘要片内部冷却通道的设计具有重要的意义，但目前对蛇形通道内流场压力的常规测量方法很难实现压力的全场显示，并且会破坏原本流场的细节。因此，本文利用PIV数据尝试求解Reynolds．averagedNavier—Stokes(凡≮NS)方程来获得转弯处的平均压力分布，分析了这种压力评估方法的合理性，并阐述了流动与压力的关系。最后