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气膜冷却孔型作用的实验研究

作　者: 沈伟杰
导　师: 施红辉；蕫若凌
学　校: 浙江理工大学
专　业: 车辆工程
关键词: 平板气膜冷却孔型吹风比绝热效率实验研究
分类号: TK473
类　型: 硕士论文
年　份: 2014年
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内容摘要

作为一种新型高效的动力装置，燃气轮机已经被应用于国民经济和国防军事的各个领域。随着燃气轮机进口温度的提高有利于其热效率的提高，然而涡轮叶片受到的热载荷和机械载荷也随之增大，会大幅度降低涡轮叶片的使用安全性和寿命。因此，对涡轮叶片进行冷却保护具有重要的作用。气膜冷却是涡轮叶片最重要的冷却技术之一，改善其绝热效率对现代燃气轮机的改进设计具有重要的意义。本文以优化气膜冷却参数，提高气膜冷却绝热效率为主要目的，将气膜冷却做为研究对象，基于红外热像技术，实验研究了不同孔型作用对平板气膜冷却效果的影响。在6个吹风比为M=0.3、0.5、0.7、1.0、1.5和2.0时，将不同射流注入角条件α=30°、60°、90°及不同复合角条件β=15°、30°、90°的气膜冷却平板分别进行了单孔和单排孔实验，同时对α=30°的顺排和叉排孔平板进行了气膜冷却实验，获得了大量的相关实验数据。选取了无复合角α=30°的单排气膜孔，在与实验相同的射流参数下进行了数值模拟计算，并与实验结果相比较。详细分析总结了各实验条件下的相关数据得到了如下结论：（1）在不同射流注入角单孔射流条件下，α=30°时的气膜冷却绝热效率要优于其他两个角度，在气膜孔下游近场区域小吹风比的冷却效率较高，而远场区域大吹风比的冷却效率稍好。（2）不同射流注入角单排射流时，由于相邻孔之间的冷却气体相互作用，冷却效率比单孔时要好，但是在气膜孔附近孔与孔之间的位置存在冷却死区。（3）在不同复合角射流条件下，由于横向射流分量的存在，冷却射流随着复合角度的偏转往横向偏移，增大了冷却气体的横向覆盖面积，并且降低了沿主流来流方向的射流分量，冷却气体具有更好的附壁性，与简单无复合角的气膜冷却绝热效率相比要高。（4）不同复合角气膜孔单排布置时，绝热效率相对于单孔时整体提高，孔与孔之间的冷却死区随着复合角度的增大而减小，当β=90°时气膜冷却效果最好。（5）两种双排孔条件下射流时，由于前后两排气膜孔的作用，气膜孔下游区域的绝热效率明显提高，孔与孔之间的冷却死区也得到了很好的改善。叉排时冷却死区几乎消失，此时具有最佳的气膜冷却效果。（6）运用数值模拟方法计算了α=30°的气膜孔为单排时的平板气膜冷却并与实验结果进行比较分析，结果表明所选实验模型是正确的。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-7
主要符号表  7-12
第一章绪论  12-23
  1.1 课题的背景及研究的目的和意义  12-14
  1.2 涡轮叶片冷却技术  14
  1.3 气膜冷却技术的研究综述  14-22
    1.3.1 气膜冷却技术  14-16
    1.3.2 国外气膜冷却研究现状  16-19
    1.3.3 国内气膜冷却研究现状  19-22
  1.4 本文研究的主要内容  22-23
第二章气膜冷却实验装置与数据处理  23-37
  2.1 实验台的组成  23-29
    2.1.1 风洞本体系统  24-25
    2.1.2 射流和主流提供系统  25-26
    2.1.3 数据采集系统  26
    2.1.4 实验平板  26-29
  2.2 实验数据采集和处理技术  29-34
    2.2.1 温度的监测  29-31
    2.2.2 速度的测定  31-34
  2.3 数据处理与误差分析  34-36
    2.3.1 数据处理方法  34
    2.3.2 实验误差分析  34-36
  2.4 本章小结  36-37
第三章不同射流注入角对气膜冷却绝热效率的影响  37-58
  3.1 射流孔下游整体气膜冷却效果分析  37-48
    3.1.1 单孔分析  37-43
    3.1.2 排孔分析  43-48
  3.2 中心线上气膜冷却绝热效率分析  48-53
    3.2.1 单孔分析  48-51
    3.2.2 排孔分析  51-53
  3.3 横向气膜冷却绝热效率分析  53-57
    3.3.1 单孔分析  53-55
    3.3.2 排孔分析  55-57
  3.4 本章小结  57-58
第四章不同复合角条件对气膜冷却效率的影响  58-79
  4.1 射流孔下游整体气膜冷却效果分析  58-68
    4.1.1 单孔分析  58-63
    4.1.2 单排分析  63-68
  4.2 横向平均气膜冷却绝热效率分析  68-73
    4.2.1 单孔分析  69-71
    4.2.2 单排分析  71-73
  4.3 横向气膜冷却绝热效率分析  73-78
    4.3.1 单孔分析  73-76
    4.3.2 单排分析  76-78
  4.4 本章小结  78-79
第五章双排射流孔条件对气膜冷却绝热效率的影响  79-87
  5.1 顺排射流对气膜冷却的影响  79-83
    5.1.1 气膜孔下游整体气膜冷却绝热效率的分析  79-81
    5.1.2 中心线上气膜冷却绝热效率的分析  81-82
    5.1.3 横向气膜冷却绝热效率的分析  82-83
  5.2 叉排射流对气膜冷却的影响  83-86
    5.2.1 射流孔下游整体气膜冷却绝热效率的分析  83-85
    5.2.2 中心线上气膜冷却绝热效率的分析  85
    5.2.3 横向气膜冷却绝热效率的分析  85-86
  5.3 本章小结  86-87
第六章数值计算及分析  87-98
  6.1 基本控制方程  87-89
  6.2 湍流模型及数值方法  89-92
    6.2.1 湍流模型  89-91
    6.2.2 数值方法  91-92
  6.3 计算模型及网格划分  92-93
  6.4 数值结果分析  93-97
    6.4.1 气膜孔下游整体绝热效率分析  93-95
    6.4.2 中心线上气膜冷却绝热效率分析  95-96
    6.4.3 横向气膜冷却绝热效率分析  96-97
  6.5 本章小结  97-98
第七章结论与展望  98-100
  7.1 结论  98-99
  7.2 展望  99-100
参考文献  100-106
攻读硕士学位期间取得的研究成果  106-107
致谢  107

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