（机械电子工程专业论文）轴流涡轮叶栅端壁气膜冷却的传热研究.pdf

! 堕堡垒业! 也g ! ! ! 坚型! ! 里! 墼竺丛型工一 摘要 提高涡轮发动机效率的重要途径是提高其入1 3 温度，而高温下涡轮发动 机的寿命取决于相关零部件的材料特性和冷却方法的效率。目前广泛采用的 一种重要冷却方法是涡轮叶栅端壁气膜冷却，该方法中冷空气穿过涡轮叶片 上内外端壁离散冷却孔进行交换，且冷空气流经冷却孔后在主流热空气与被 保护表面之间形成保护层。但这种方法中喷射的冷空气与端壁附近的外流场 相互作用产生气动力和热动力损失，并且消耗冷却空气，从而损害涡轮的整 体循环效率。 针对上述问题，本文以大型低速线性涡轮叶栅为对象进行其端壁气膜冷 却的传热研究。在发展一种新的测试技术的基础上，结合叶栅下游流场测量， 获得了叶栅端壁上冷却膜隔热效率的分布，使得叶栅端壁上下冷却层的冷却 效率可分别定量描述。以无端壁气膜冷却和有端壁气膜冷却两种情况进行研 究，对比地获得了两者的综合损耗和二次流特征区域随冷却气体供给压力和 注射位置的变化规律。这种气动力损失和冷却空气损耗舶定量化，可为端壁 气膜冷却技术的气动力成本和冷却效益提供数据。 论文还进行了叶片冷却孔质量流的测量与常静压气流混合分析，结合前 述气动力损失和冷却空气损耗的测量结果表明，端壁气膜冷却的综合损失明 显地由三个部分组成：叶片冷却孔内产生的损失；由于冷却空气与主流热空 气的混合产生的损失：二次流的变化产生的损失。本文的研究成果显示，冷 却孔内产生的损失是主要的，并且低静压区域的冷空气喷射会增加单位冷空 气质量流的消耗；喷射的冷空气与叶栅端壁流场之间有强烈的相互作用；二 次流对冷却空气的流动轨迹有较强的影响；冷空气喷射能延缓端壁入口边界 层的三维分离、改变二次流从而减少其相关损耗。 揭示流场的三维特性以及喷射的冷空气与端壁附近的外流场相互作用 规律是涡轮叶栅端壁气膜冷却设计成功的关键，本文的研究成果增加了对此 规律的更深入了解。 关键词：涡轮涡轮效率压缩机端壁气膜冷却冷气喷射 ：! ! ! ! 堡垒鳇蔓 璺堡鱼! 坚竺! 竺2 1 竖竺! ! 里望：!一 a b s t r a c t a ni n c r e a s ei nt h es p e c i f i cw o r ka n dc y c l ee f f i c i e n c yo fg a st u r b i n e sc a nb e a c h i e v e dt h r o u g hh i g h e rt u r b i n ee n t r yt e m p e r a t u r e s m a i n t a i n i n ga d e q u a t el i f ea t t h e s eh i g ht e m p e r a t u r e sr e q u i r e st h ed e v e l o p m e n to fm a t e r i a l sa n de f f i c i e n t c o o l i n gm e t h o d s o n ec o o l i n gm e t h o dt h a th a sg a i n e di n c r e a s i n gi m p o r t a n c ei s e n d w a l lf i l m c o o l i n g ，w h e r ec o o l a n ta i ri sd i s c h a r g e dt h o u g hd i s c r e t eh o l e si nt h e i n n e ra n do u t e re n d w a l l so fat u r b i n eb l a d ep a s s a g e a f t e rl e a v i n gt h eh o l e s ，t h e c o o l a n tf o r m sa p r o t e c t i v el a y e rb e t w e e n t h eh o tm a i n s t r e a mg a sa n dt h es u r f a c e t h a ti st ob ep r o t e c t e d t h ee j e c t e dc o o l a n ti n t e r a c t sw i t ht h ee x t e r n a lf l o wn e a r t h ee n d w a l la n dg e n e r a t e sa e r o d y n a m i ca n dt h e r m o d y n a m i cl o s s e si nt h ep r o c e s s t h i sr e d u c e st u r b i n e s t a g ee f f i c i e n c ya n dt o g e t h e rw i t ht h ec o n s u m p t i o no f c o o l i n ga i ri sd e t r i m e n t a l t ot h eo v e r a l lc y c l ee f f i c i e n c y t h e k e y s t o n e o ft h i sr e s e a r c h p r o j e c ti sa ne x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o nu s i n g a l a r g e s c a l el o w s p e e d l i n e a rt u r b i n ec a s c a d e t h ed i s t r i b u t i o no fa d i a b a t i c f i l m c o o l i n ge f f e c t i v e n e s so nt h ee n d w a i lo ft h i sc a s c a d eh a sb e e nm e a s u r e d u s i n g an e w t e c h n i q u et h a th a sb e e nd e v e l o p e da sp a r to ft h i sp r o j e c t u s i n gt h i s n e w t e c h n i q u e ，t h ea c h i e v e dl e v e l so fc o o l i n ge f f e c t i v e n e s sa r eq u a n t i f i e da n d o v e r , a n d u n d e r - c o o l e d r e g i o n s o nt h ee n d w a l la r ei d e n t i f i e d t h e s e m e a s u r e m e n t sa r ec o m p l e m e n t e db ym e a s u r e m e n t so ft h ef l o wf i e l dd o w n s t r e a m o ft h ec a s e a d e t h ei n t e g r a t e dl o s s e sa n dl o c a t i o n so fs e c o n d a r yf l o wf e a t u r e s w i t ha n dw i t h o u te n d w a l lf i l m c o o l i n ga r ed e t e r m i n e df o rv a r i a t i o n so fb o t h c o o l a n ts u p p l yp r e s s u r ea n di n j e c t i o nl o c a t i o n t h ea e r o d y n a m i cl o s s e sa n dt h e c o o l a n tc o n s u m p t i o nd u et oe n d w a l lf i l m c o o l i n ga r eq u a n t i f i e d ，t h u sp r o v i d i n g d a t ao nb o t ht h e a e r o d y n a m i c c o s t sa n dt h e c o o l i n g b e n e f i t so fe n d w a l l f i l m - c o o l i n g m e a s u r e dh o l em a s sf l o w sa n dac o n s t a n ts t a t i c p r e s s u r em i x i n ga n a l y s i s ， t o g e t h e rw i t 1t h em e a s u r e dl o s s e s ，a l l o w e dt h ed e c o m p o s i t i o no ft h el o s s c si n t o t h r e ed i s t i n c te n t r o p yg e n e r a t i o nm e c h a n i s m s ：l o s sg e n e r a t i o nw i t h i nt h eh o l e ， i i !塑!垒e2生!g鱼!坚!堡!里!g竺!型：!：!一 l o s sg e n e r a t i o nd u et ot h em i x i n go ft h ec o o l a n tw i t ht h em a i n s t r e a m ，a n dc h a n g e i ns e c o n d a r yl o s sg e n e r a t i o ni nt h eb l a d ep a s s a g e r e s u l t sf r o mt h i si n v e s t i g a t i o n s h o wt h a tt h el o s sg e n e r a t i o nw i t h i nt h ec o o l a n th o l e si s s u b s t a n t i a la n dt h a t e j e c t i o ni n t or e g i o n so fl o ws t a t i cp r e s s u r ei n c r e a s e st h el o s sp e ru n i t c o o l a n t m a s sf l o wt h er e s u l t sa l s or e v e a is t r o n gi n t e r a c t i o n sb e t w e e ne n d w a l lc o o l a n t e j e c t i o na n ds e c o n d a r yf l o wi n t h eb l a d ep a s s a g e t h es e c o n d a r yf l o wh a sa s t r o n g i n f l u e n c eo nc o o l a n t t r a j e c t o r i e s a n dc o o l a n t e j e c t i o nd e l a y s t h e t h r e e d i m e t i s i o n a ls e p a r a t i o no ft h ei n l e tb o u n d a r yl a y e ro nt h ee n d w a l l ，c h a n g t h es e c o n d a r yf l o wa n dr e d u c e si t sa s s o c i a t e dl o s s e s u n d e r s t a n d i n g t h et h r e e d i m e n s i o n a ln a t u r eo ft h e s ef l o w sa n d u n d e r s t a n d i n gt h ei n t e r a c t i o n sb e t w e e nt h ee j e c t e dc o o l a n ta n d t h ee n d w a l lf l o w a r et h e k e yt o as u c c e s s f u le n d w a l l f i l m - c o o l i n gd e s i g n r e s u l t s f r o mt h i s i n v e s t i g a t i o ne n h a n t e t h i su n d e r s t a n d i n g ， k e y w o r d s t u r b i n e ，t u r b i n ee f f i c i e n c y , c o m p r e s s o r , e n d w a l lf i l m c 0 0 l i n 参e n d w a l l ， c o o l a n te j e c t i o n i i i l ) l t ) ( a | j l ( ) n t o m y w 掘 t o m y m o t h e r t om yb r o t h e r s a n ds i s t e r s ! ! 竺堡垒! ! ! 坚堑坚箜! ! 里! g ! 竺堕竖塑： p r e f a c e t h i sd i s s e r t a t i o ni st h er e s u l to f m y o w nw o r kc a r r i e do u ta tt h ew u h a n u n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g yb e t w e e ns e p t e m b e r2 0 0 0a n dj u n e2 0 0 3 a n di n c l u d e sn o t h i n gw h i c hi st h eo u t c o m eo fw o r kd o n ei nc o l l a b o r a t i o n i ti s s u b m i t t e df o rt h em a s t e r d e g r e e a tt h em e c h a n i c a l e n g i n e e r i n g f o rg a st u r b i n e ia m g r a t e f u l f o rt h e s u p p o r tp r o v i d e db ym ys u p e r v i s o rp r o f e s s o r j i a n z h o n gw a n g , f o r m a k i n gt h i sw o r kp o s s i b l e h ec o n t i n u i n gg u i d a n c e a n ds u p p o r tt h r o u g h o u tt h i sr e s e a r c hp r o j e c ti sg r e a t l ya p p r e c i a t e d 1w o u l d a l s o l i k et ot 1 a n km s z e n gf a n g a s p e c i a la c k n o w l e d g e m e n tg o e st om y s c h o o la n da l lm y t e a c h e r s t h eb i g g e s tt h a n k so fa l l g o t o m yw i f ei b t e s s a ma n dm ym o t h e r r a h e l l w i t h o u tt h e i r c o n t i n u i n gs u p p o r tn o n eo ft h i sw o u l dh a v eb e e n p o s s i b l e 1w i s ht oa l s ot h a n kf o rm y 血i e n dt a r e k a lm a l t if o rl l i ss u p p o r t f i n a l l y , 1w i s h t ot h a n ka l lm yf r i e n d sa n da l lo f y o u w h o g i v em es u p p o r t m u h s a nm a h r a z m a y 2 0 0 3 。 i v ! ! 竺堡垒e 生尘g 尘! 竺苎! 竺旦! g ! ! ! ! ! 竖竺：! n o m e n c l a t u r e m a s sf l o w m a c hn u m b e r g a sc o n s t a n t e n t r o p y s t a t i ct e m p e r a t u r e v e i o c i t y d e n s i t y s t a g n a n o nt e m p e r a t u r e s t a t m p r e s s u r e s t a g n a t i o np r e s s u r e i n l e ts t a g n a t i o nt e m p e r a t u r e i n l e ts t a g n a , q o np r e s s u r e c h a r a c t e r i s t i cd i m e n s i o n r o t o rr o t a t i o n a l e x i ts t a g n a t i o np r e s s u r e a c t u a le x i ts t a g n a t i o nt e m p e r a t u r e a n g l e a b s o l u t ev i s c o s i t yo f g a s t u r b i n ew o r k c o m p r e s s o rw o r k g a s s p e e d p r e s s u r et h r u s t e n t i r et h r u s tr a t e f u e la m o u n t t e m p e r a t u r ea m o u n t a m o u n to ff i l e le x h a u s t e d c o m p r e s s o re f f i c i e n c y t u r b i n ee f f i c i e n c v m e c h a n i c a le 衢c i e n c v t b t a je m c i e n c y t o t a lw o r k v i l 。吕k o t v p l p 凡h d n 陆亿 。叭q印，嘏嘶m嗽蚴 t a b l e so f f i g u r e s f i g1 1 ：c u t a w a yo f a l l i e d s i g n a l s t f 4 0g a s t u r b i n ee n g i n e - 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d i m e n s i o n a ls e p a r a t i o nl i n e sa n dp o t e n t i a lr e g i o n s o f h i g hh e a tt r a n s f e r 4 4 f i g4 ：c o m p u t a t i o n a lp r e d i c t i o no f v e l o c i t y v e c t o r si nt h ee e n t e r l i n e p l a n eo faf i l m c o o l i n gh o l e 。4 7 f i g 4 3 ：c o m p u t a t i o n a lp r e d i c t i o no fv e l o c i t yv e c t o r so n ap l a n e h a l f w a yb e t w e e nh o l ei n l e ta n de x i t 4 8 f i g 4 4 ：s c h e m a t i co ft h ef l o wf i e l di nt h ev i c i n i t yo fas i n g l ej e ti nc r o s s f l o w - - - - - 4 9 f i g 4 5 ：t u r b oj e te n g i n e 5 2 f i g 4 6 ：t - sd i a g r a m 5 2 f i g 4 7 ：t u r b op r o pe n g i n e 。5 6 f i g 4 8 ：t - sd i a g r a m 。+ 5 6 f i g 4 9 ：s c h e m a t i c o ft h ee n d w a l lb o u n d a r yl a y e r s 5 9 f 强4 1 0 ：s e c o n d a r yl o s sg e n e r a t i o nm e c h a n i s m s 6 0 ! ! 壁堕垒e 生! ! g ! ! ! 型塑! ! ! 里! 受! ! ! 婴：堕：! 一一 c h a p t e ro n e h i s t o r va n dd e v e l o p m e n to f t h eg a st u r b i n e 1 1i n t r o d u c t i o n t h et h e o r yo ft h eg a st u r b i n ea n dt h ew a yt h a ti ts h o u l df u n c t i o nw e r e e s t a b l i s h e dl o n gb e f o r et h en e c e s s a r ym a t e r i a l sa n dt h ed e t a i l e dk n o w l e d g eo f f l o wm e c h a n i s m sw e r ea v a i l a b l et ot h ep e r s o n n e li n v o l v e d e n g i n e e r sh a dt o w a i tf u rt h ed e v e l o p m e n to fm a t e r i a l st h a tc o u l dw i t h s t a n dh i g ht e m p e r a t u r e sa n d i m p r o v e dc o m p o n e n te f 五c i e n c i e st om a k et h eg a st u r b i n eau s e f u lp o w e rp l a n t a g a st u r b i n ei sa ne n g i n ed e s i g n e dt oc o n v e r tt h ee n e r g yo far u e i i n t o s o m ef o r mo fu s e f u lp o w e r ，s u c ha sm e c h a n i c a l ( s h a f t lp o w e ro rt h eh i g h s p e e d t h r u s to fai e t ag a st u r b i n ec o n s i s t sb a s i c a l l yo fag a sg e n e r a t o rs e c t i o na n da p o w e rc o n v e r s i o ns e c t i o n t h eg a sg e n e r a t o rs e c t i o nc o n s i s t so fac o m p r e s s o r c o m b u s t i o nc h a m b e r a n dt u r b i n e t h et u r b i n ee x t r a c t i n go n l ys h 伍c i e n tp o w e rt o d r i v et h ec o m p r e s s o r t h i sr e s u l t si nah i g h t e m p e r a t u r e h i g h - 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5 0t u r b i n ee n g i n e 2 t h e s i sa p p l y i n gf o rm a s t e rd e g r e eo f w u t t h ef o l l o w i n gs e c t i o n sf o c u so nd i s c u s s i n gt h eh i s t o r yo fg a st u r b i n ef r o m 1 7 9 1t ot h ep r e s e n t f o rt h ep u r p o s et og i v ea no u t l i n e so f t h ed e v e l o p m e n t o f t h e g a st u r b i n e ，l i s t i n gh i s t o r i ce v e n t sw i t hd a t e s l 2 d e v e l o p m e n t o f g a s t u r b i n e sf r o m17 9 1t o1 9 3 0 t h ed e v e l o p m e n to ft h eg a st u r b i n ew a sc h a r a c t e r i z e db yan u m b e ro f p a t e n t s m a n yo ft h ee a r l yd e s i g n sw e r en e v e rb u i i t ，a n dt h o s et h a tw e r eb u i l t u s u a l l yp r o d u c e de x t r e m e l y l o w p o w e ro u t p u t si f a n y a ta h t h ei n i t i a ls t e pi nt h ed e v e l o p m e n to ft h eg a st u r b i n eo c c u r r e dw h e nj o h n b a r b e ro b t a i n e dt h ef i r s tp a t e n ti n1 7 9 1 a 1 t h o u g hi ti sd o u b t f u lt h a tb a r b e r s m r b i n ew a se v e rb u i l t i td i ds e r v ea st h eb a s i sf o rf u r t h e rd e v e l o p m e n t n l en e x ti m p o r t a n td e v e l o p m e n tc a m ei n18 7 2 w h e ns t o l z eo b t a i n e da p a t e n t h i sd e s i g nc o n s i s t e do fam u l t i s t a g ea x i a l f l o wc o m p r e s s o r ( p r o b a b l yt h e f i r s to fi t s k i n d ) ，am u l t i s t a g e r e a c t i o nt u r b i n eo nt h es a m es h a f t 。ah e a t e x c h a n g e r a n dac o m b u s t i o nc h a m b e r h i sd e s i g ns h o w e dm a n y m o r es t a g e si n t h et u r b i n et h a ni nt h ec o m p r e s s o r t h ef i r s tp a t e n tc o v e r i n gac o m p l e t e