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燃气轮机叶片前缘气膜冷却流动特性的实验研究

作　者: 曲宏伟
导　师: 李少华
学　校: 东北电力大学
专　业: 热能工程
关键词: 直流式低速风洞气膜冷却吹风比叶片曲率实验研究
分类号: TK473
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

气膜冷却技术作为保护叶片非常有效的冷却手段之一,在现代高负荷航空发动机中被广泛采用。对于气膜冷却研究现在主要采用数值模拟和实验研究的方法进行。本文是在前人实验成果的基础上,在东北电力大学风洞实验室内,首先利用热膜风速仪对平板单圆孔垂直入射气膜冷却流场进行了测量,得到了不同吹风比下的流场速度及湍动能分布。平板实验中以射流孔中心所在平面为测量面(z/d=0),以射流孔中心为零点沿流动方向(x轴)取x/d=1、2、5和10四个测量面,在这四个测量面上以平板表面为起点,沿垂直方向(y轴)取若干测量点,测量了各点的速度u、v和湍动能k。吹风比M选取0.5、1.0和2.0三个测量值。其次,在叶片问题上选用美国航空航天局(NASA)Levi研究中心公布的燃气轮机MARKⅡ叶片作为研究对象。由于叶片的尺寸很小,在现有的实验室条件下进行实验测量误差会很大,所以根据相似原理对叶片放大了2倍。在主流风速为10m/s,基于叶片弦长雷诺数为160000条件下,采用美国TSI公司生产的热膜风速仪作为测量工具。对气膜冷却叶片压力面和吸力面下游指定位置,分别在x/d=4、8、15和25位置M=0.5(M为吹风比)和1.5时二维速度场(u ,v )和湍动能k的流场进行测量,进而研究影响流体贴壁性的机理。实验叶片的上部是可以旋转的,这样就决定了在实验段内的安装角度是可以改变的,这一构想成功的解决了叶片简便安装和实验段的重复使用的问题,我们可以随意的取下实验叶片进行气膜孔几何参数的改变,进而分析流场。同时也为在不同气流进气角下的工况研究做了很好的铺垫,为以后学者的研究提供了方便。实验结果表明:当射流比增大时,压力面和吸力面主射流掺混中心上移,在叶片型面曲率梯度较大处会出现回流现象,混合流体贴壁性变差。吸力面u速度梯度明显增加,吸力面流体贴壁性相对来说要好于压力面。压力面侧速度u随着x/d的增加逐渐变得不规则,在叶片曲率较大处的近壁区出现了明显的二次流,在吸力面侧吹风比对速度v的影响比压力面侧小。在压力面上,对于在相同吹风比下随着x/d的增加湍动能的最大值逐渐远离壁面,同时湍动能k的最大值却在减小。在壁面附近,吸力面湍动能的变化没有压力面明显。在叶片尾缘区域湍动能的值有所变动,但是变动的幅度较压力面小很多。同时随着吹风比的增加,湍动能最大值有上升的趋势,但是变化幅度较小。

全文目录

摘要  6-8
Abstract  8-12
主要符号表  12-14
第1章绪论  14-22
  1.1 课题的研究背景及意义  14-16
  1.2 气膜冷却技术的研究进展  16-20
    1.2.1 国内气膜冷却实验研究进展  16-17
    1.2.2 国外气膜冷却实验研究进展  17-19
    1.2.3 国内气膜冷却数值模拟研究进展  19-20
    1.2.4 国外气膜冷却数值模拟研究进展  20
  1.3 本文的研究内容  20-22
第2章热线热膜风速仪的原理以及使用说明  22-36
  2.1 热线热膜风速仪的原理  23-26
    2.1.1 二维速度的测量  24-25
    2.1.2 三维速度的测量  25
    2.1.3 湍流度的测量  25-26
  2.2 热线热膜风速仪的简要使用说明  26-35
    2.2.1 二维热线热膜探针的校准  27-34
    2.2.2 校准三维探针  34-35
  2.3 本章小结  35-36
第3章平板气膜冷却实验结果研究  36-46
  3.1 平板实验台装置  36-39
    3.1.1 实验装置与附属设备  36-38
    3.1.2 实验段  38
    3.1.3 测量方法及位置的确定  38-39
  3.2 实验结果及分析  39-44
  3.3 本章小结  44-46
第4章叶片实验内容以及实验结果的分析  46-65
  4.1 实验台装置及仪器简介  46-48
  4.2 实验叶片参数及气膜孔设计  48-51
  4.3 实验测量结果分析  51-57
    4.3.1 叶片压力面速度分析  51-53
    4.3.2 叶片吸力面速度分析  53-55
    4.3.3 叶片压力面湍动能  55-56
    4.3.4 叶片吸力面湍动能  56-57
  4.4 误差分析  57-60
  4.5 基于风洞不确定性分析的实例  60-64
    4.5.1 数学模型  61
    4.5.2 误差源  61
    4.5.3 输入量的标准不确定度的评定  61-64
  4.6 本章小结  64-65
结论  65-67
参考文献  67-70
发表学术论文情况  70-71
致谢  71

燃气轮机叶片前缘气膜冷却流动特性的实验研究

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