透平叶栅环境下气膜冷却流动传热机理研究

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1、透平叶栅环境下气膜冷却流动传热机理研究(申请清华大学工学博士学位论文)培养单位：热能工程系学科：动力工程及工程热物理研究生：秦晏旻指导教师：任静教授二○一五年四月HeatTransferandAerodynamicCharacteristicsofFilmCoolingUnderTurbineFlowConditionDissertationSubmittedtoTsinghuaUniversityinpartialfulfillmentoftherequirementforthedegreeofDoctorofPhilosophyinPowerEngineeringandEngin

2、eeringThermophysicsbyQinYanminDissertationSupervisor:ProfessorRenJingApril,2015摘要摘要气膜冷却是当代燃机透平冷却的重要手段，随着透平负荷的增加，透平叶片中的压力梯度及流动折转也越来越强，这使得气膜冷却与透平流动环境间具有愈来愈强的相干性。准确预测透平复杂环境下气膜冷却的传热及流动特性显得愈发重要。本文将透平环境抽象模化为曲率及压力梯度两个参数，针对这两个参数对气膜冷却流动传热特性的影响规律及其机理开展了一系列实验、理论及数值研究，并基于此发展得到了考虑曲率及压力梯度的气膜冷却有效度一维修正方法。压力敏感漆

3、（PSP）技术是气膜冷却传热特性测量的主要技术手段，针对PSP技术的误差分析表明，在系统误差方面，其主要包含传热传质比拟所造成的误差及实际应用中由于多元传质所带来的误差这两个方面。气膜冷却由对流主导，传热传质比拟原理基本成立，误差较小。而PSP测量绝热气膜冷却有效度随机误差较小，本文绝大多数工况下随机误差小于10%。以透平模化参数下的气膜冷却有效度实验结果为基础，研究曲率及压力梯度对不同孔型气膜冷却有效度的影响规律及其机理。结果发现，曲率及压力梯度通过改变气膜冷却的吹离特性，流向耗散及侧向扩散特性改变气膜冷却传热表现。而其综合作用表现为：对于无复合角圆孔，当动量比小于某特定数值时凸面

4、有效度最高，而高于该点时，则反之，流向顺压会增大该点数值，实验工况范围内该判定点的取值范围为0.55-0.75；对于复合角气膜冷却，凸面气膜冷却在所有吹风比下有效度均最高；扇形孔气膜冷却在弯曲表面上均不及平板情况。基于各参数的影响规律，通过理论分析，提出了吹离修正系数、流向耗散修正系数和侧向扩散修正系数这三个曲率及压力梯度对气膜冷却有效度的影响系数，获得了一套适用于无复合角圆孔、复合角圆孔和扇形孔的统一曲率及压力梯度修正方法。该方法定量预测精度高，在适用工况范围内，对于绝大多数情况，其预测相对误差小于10%，并且稳定性好。完成了不同流动工况，不同孔型全叶片气膜冷却有效度实验，进一步验

5、证了曲率及压力梯度修正方法在实际叶片气膜冷却有效度预测中的有效性。针对透平环境下气膜冷却的气动特性，在评价气膜冷却气动损失时，高吹风比气膜射流带入的动量较大，其影响不能忽略，需要采用考虑射流总压的动能损失系数作为评价参数。气膜冷却动能损失系数随着吹风比的增大而增大。主流顺压能够减小气膜冷却气动损失，而复合角则会较大幅度提高气膜冷却气动损失。关键词：燃气轮机；气膜冷却；曲率；压力梯度；经验公式IAbstractAbstractFilmcoolingisoneofthemostimportantcoolingtechnologiesofmoderngasturbine.Astheload

6、ofasingleturbinestageincreases,thepressuregradientandtheturningangleofturbineflowincreases.Thusmakestheinteractionbetweenfilmcoolingjetandturbinemainflowbecomesmoreandmoresignificant.Thefilmcoolingperformanceinturbineenvironmentdiffersfromthatintheflatplatecondition.Wallcurvatureandstreamwisepr

7、essuregradientaretwoimportantcharacteristicsoftheturbinemainflow.Thepresentstudyconductedaseriousofexperimental,theoreticalandnumericalresearchontheeffectofwallcurvatureandpressuregradientonfilmcoolingheattransferandaerodynamiccha