【摘 要】
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为了提高燃气轮机性能,近年来高压涡轮入口温度不断提高。利用气膜冷却对端壁进行降温和保护是一种常见的保护端壁的方式。涡轮端壁附近的二次流动较为复杂,而冷气射流的加入也增加了该区域的流动复杂性。因此通过分析冷气射流对端区流动的影响,开发考虑端壁气膜冷却的涡轮性能预测模型对涡轮设计有很大帮助。本文通过数值计算的方法进行研究,以E~3发动机高压涡轮第一级导叶为研究对象,以不同的气膜孔设计参数以及冷气射流气
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为了提高燃气轮机性能,近年来高压涡轮入口温度不断提高。利用气膜冷却对端壁进行降温和保护是一种常见的保护端壁的方式。涡轮端壁附近的二次流动较为复杂,而冷气射流的加入也增加了该区域的流动复杂性。因此通过分析冷气射流对端区流动的影响,开发考虑端壁气膜冷却的涡轮性能预测模型对涡轮设计有很大帮助。本文通过数值计算的方法进行研究,以E~3发动机高压涡轮第一级导叶为研究对象,以不同的气膜孔设计参数以及冷气射流气动参数进行了数值计算。本文主要包含三部分内容。首先分析了不同工况下冷气射流对端区流动造成的影响,发现质量流量比较低时冷却射流对轮毂端壁的覆盖效果好,但是冷气受到叶栅通道内压力梯度的影响而冲击涡轮叶栅靠近尾缘的位置,形成冲击涡。此外若质量流量比较低且气膜孔位置与叶栅的压力面前缘十分靠近,冷气射流将会受到马蹄涡压力面分支的冲击而发生大幅偏转,并提前出现脱离壁面的趋势。其次通过对比分析数值计算结果,以K-O模型的损失划分方式与损失系数计算方法为基础,发展了轮毂端壁气膜冷却修正因子。经过计算,对于所有考虑到的工况,发展的轮毂端壁气膜冷却修正因子能够将K-O模型的预测误差率从最高20%降低至3%以内。最后将端壁固体域、冷气流体域以及主流流体域之间的流固共轭传热纳入考虑,分析了传热会给端壁气膜冷却以及流动带来哪些影响。研究发现端区附近的二次流强度,尤其是马蹄涡吸力面分支的涡系强度相较于未考虑固体传热时更小;通道内压力梯度能够更大程度上在气膜孔柱出口位置便开始改变冷气射流的出流方向;在质量流量比较低时,射流分离涡更难形成。气膜孔配置在主流马赫数较高区域中时,合理的质量流量比显得更加重要。低冷气流量只能得到较差的冷却效果,但是高冷气流量可能导致冷气射流超声,产生激波损失,从而降低涡轮的工作效率。
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