气膜冷却孔型作用的实验研究

【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。
【作者】沈伟杰；
【导师】施红辉；蕫若凌；
【作者基本信息】浙江理工大学，车辆工程，2014，硕士
【关键词】平板气膜冷却；孔型；吹风比；绝热效率；实验研究；

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