颗粒沉积对气膜冷却效率的影响研究

作     者：田可 

作者单位：河北工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：杨历

授予年度：2018年

学科分类：080704[工学-流体机械及工程] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 

主      题：气膜冷却 组合孔 堵塞比 沉积率 碰撞率 侵入率 

摘      要：作为一种重要的工业设备,燃气轮机被广泛用于航空、航海、汽车以及电站等众多领域,为其提供推力或产生电能。在过去的50年间,燃气轮机的进气温度不断增加。为了保证涡轮能够安全有效的运行,气膜冷却技术被广泛用于燃气轮机的叶片保护。本文提出一种新型组合气膜孔结构,并与传统圆柱形气膜孔结构进行对比。研究发现,随着吹风比的增加,圆柱孔的气膜冷却效率逐渐减小,而组合孔的气膜冷却效率逐渐增加。在燃气轮机实际运行过程中,颗粒沉积会严重影响涡轮的运行效率。燃料和空气中的颗粒物还会侵入气膜孔内部,造成气膜孔局部堵塞。针对上述问题,本文将颗粒在气膜孔内部的沉积物结构简化为半球形和四面体形,研究了平板气膜孔内堵塞物的不同堵塞比、堵塞位置和堵塞物结构对气膜冷却效率的影响。研究发现气膜孔内堵塞比较高时产生的漩涡比低堵塞比时的衰减速度更快。并且,随着堵塞比的增大,气膜孔下游壁面的冷却气体覆盖面积逐渐减小。对于球形堵塞结构,向二次流中注入1%的液滴可提高10%的冷却效率。液滴的尺寸越小,蒸发率越高,对壁面的冷却效率提高越明显。另外堵塞物的形状对气膜冷却效率有很大的影响,与四面体堵塞结构相比,半球形堵塞对下游壁面的冷却效率更差。为了进一步研究细微颗粒物在叶片表面的沉积机理,本文基于临界速度模型和颗粒脱离模型,模拟了不同粒径的颗粒在叶片表面的沉积率。并考虑了不同吹风比及进气角度对颗粒撞击率、沉积率和侵入率的影响。研究发现粒径较低时,颗粒与壁面几乎不发生碰撞。随着粒径的增加,颗粒与壁面的碰撞率逐渐增加,并且碰撞主要发生在压力侧。当粒径为10?m时,颗粒开始侵入气膜孔内部,随着颗粒粒径的增加,颗粒的侵入率也更加明显。撞击率随着颗粒粒径的增加逐渐增加,压力侧的撞击率增加最为明显。压力侧和吸力侧的撞击率在粒径到达50?m时会突然增加到200%,说明50?m的颗粒与壁面碰撞时发生反弹,并且大部分颗粒与壁面不止发生了一次碰撞。