双向扩张型孔射流流量系数试验.docx

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1、双向扩张型孔射流流量系数试验摘要为了探索双向扩张气膜孔的流阻特性,提高燃气轮机涡轮的气膜冷却效果,在吹风比分别为,和主流雷诺数分别为,和下,通过试验方法对不同射流角度和气膜孔出口宽度下孔的流量系数进行研究.结果表明:吹风比为时,射流角度对气膜n流量系数的影响较小;吹风比为,时,射流角度从增大到,流量系数随之增大,最大增幅,射流角度从增大到,流量系数变化较小;气膜孔出口宽度与孔径比从增大到,吹风比为时的流量系数变化较小;吹风比为,时,流量系数最大增幅为,并且增幅随着射流角度增大而减小;吹风比从增大到,流量系数最大增幅为;主流雷诺数对流量系数影响较小.关键词燃气轮机;气膜冷却;双向扩张孔;流量系数

2、;吹风比;雷诺数;射流角度涡轮是燃气轮机三大核心部件之一.目前大型燃气轮机的涡轮入口温度远远高于涡轮叶片材料可承受温度,因而必须采用适当的方式对其进行冷却.气膜冷却是降低涡轮叶片温度的一种有效方法,其冷却效果不仅与流体的流动状态有关,还与气膜孔的几何形状、构造参数等因素有关.借助更少的冷气到达一定的冷却效果,是研究气膜冷却的关键技术.供气缺乏会降低冷却效率,使得涡轮叶片区域产生高温负荷,而过度供气会导致涡轮内部冷却气体使用率较低.所以在设计新型气膜孔时,首先应在工程应用条件允许范围内,选择流量系数较大的孔型构造,这样不但能够在较小的压差下获得一样的冷气量,降低燃气轮机功耗,而且能够得到不同冷却

3、特性设计点的压力参数.气膜孔内孔型对气膜冷却特性的影响较大,具有代表性的孔型有普通圆柱孔、圆锥形孔、簸箕形孔等.在这些文献中表明适当改变圆柱形孔的出口形状能够有效地减小孔出口的流动损失,进而提高流量系数.文献表明气膜孔出口宽度增加有助于冷却气流展向扩散运动,增大覆盖范围,提高平均冷却效率.气膜孔出口宽度对流量系数的影响有待进一步研究.文献研究表明改变圆柱孔的入口形状能够减小孔入口和孔内分离流动产生的局部流动损失,提高气膜孔流量系数并改善冷却特性.文献,研究了气膜孔入口与出口的压比、内部和外部横流马赫数等气动特性参数对气膜孔流量系数的影响.文献研究了圆柱孔不同倾向角和方位角等射流角度对流量系数的

4、影响,结果表明双向扩张孔入口扩张能够减小气膜孔内部流动损失,出口扩张能够有效提高气膜冷却效率.因而,对于一个新的气膜孔构造,需要具体地研究其流阻特性和冷却特性,而气膜孔出口宽度对流量系数的影响并未见公开报道.对此,本文采用试验的方法系统地研究了双向扩张孔在不同主流雷诺数和吹风比下,不同射流角度和出口宽度对流量系数的影响.试验设备及数据处理试验在低速风洞中进行,试验系统(图)由离心风机(分为主流和二次流)提供气源.图为双向扩张型气膜孔模型,其试验段布置个气膜孔,孔径为d,孔间距为d,气膜孔入口和出口径向扩张角度均为,射流角度分别为,和,气膜孔入口宽度为d,出口宽度W分别为d,d和d。试验结果与分

5、析吹风比和雷诺数对流量系数的影响图为在不同主流雷诺数Re、不同射流角度下,气膜孔n出口宽度Wd时,气膜孔n流量系数CD随吹风比Br的变化曲线.从图能够看出,在不同工况下流量系数随吹风比变化基本一样,表明流量系数不随主流雷诺数变化而变化.时(图a),Br由增至,流量系数CD增大,增幅,气膜孔出口宽度越大增幅越大.时(图b),Br由增至,流量系数增大,增幅.时(图c),Br由增至,流量系数增大,增幅.分析原因,Br对流量系数的影响主要是主流对二次流的阻塞效应.Br较小时,主流速度大于二次流速度,阻塞效应比拟明显.当二次流速度接近主流速度时,主流与二次流掺混后的损失最小.在高Br情况下,二次流速度高

6、于主流速度,主流与二次流掺混后会出现一部分掺混损失.此外,Br越大,气膜孔内二次流流速越大,孔内移动边界厚度越小,沿程损失相对较小,有效流通面积越大.所以,随着Br的增加,流量系数增大,并且增幅在Br后相对变小.在流动损失、阻塞效应综合影响下,总流速损失变化较小,因而流量系数基本不受主流Re影响.越大,综合影响越明显,对流量系数的影响越弱.对流量系数的影响图为Re不同Br和W下,流量系数随的变化曲线.从图能够看出,Br时,在不同W下流量系数基本不受的影响.Br,时,流量系数随的变化规律大致一样,从升高到,流量系数增加,增幅;从升高到,最大增幅.这意味着双向扩张孔在实际应用中,就流阻特性而言,从

7、到之间加工精度对流量系数影响不大.分析原因,当Br时,由于Br很小,所以二次流流速和流量较小,气膜孔入口和出口处的局部损失及孔内的沿程损失相应较小,主流对二次流的阻塞效应较大.随着增大,气膜孔内流动损失减小,阻塞效应增大,总损失变化不大,因而Br时对流量系数的影响较小.二次流流量与流速随着Br的增大而增大,气膜孔流动损失加强,阻塞相对效应减弱.较小时,气膜孔较长,孔内沿程损失较大,导致流量系数减小.随着增大,气膜孔长度逐步减小,沿程损失也逐步减小,流量系数会逐步增大.当大于时,气膜孔长度引起的孔内沿程损失对整个流动损失影响会减弱,气膜孔入口和出口处流动分离而产生的局部损失会占主导地位.孔出口和

8、入口有效流通面积也会随着的增大而减小,主流对二次流阻塞效应增大.综合影响下,流动总损失变化不大,因而从增至时,流量系数变化较小.W对流量系数的影响图为主流Re时,在不同Br和下,流量系数随W的变化曲线.从图能够看出,Br时,由于主流对二次流阻塞效应,流量系数不随W变化而变化.Br,时,W增加其对应流量系数也随之变大,并且增加趋势会随着的增大而变得平缓.为时(图a),W从d增至d,流量系数最大增幅;W从d增至d,流量系数增加,增幅.为时(图b),流量系数随W的增大增幅平缓,W从d到d,流量系数增加,增幅.为时(图c),流量系数最大增幅不超过.讲明双向扩张孔在实际应用中,对流阻而言,W从d到d之间

9、的加工精度对流量系数影响较小.分析原因,流动损失除气膜孔出口和入口处的局部损失外,还包括孔内沿程损失,而随着W的增大,出口局部损失减小,二次流有效流通面积增大.由于流动损失中局部损失比沿程损失大得多,所以在较大Br下,为时,W对应较大流量系数.为时,孔长度变短,孔内沿程损失影响变弱,流动损失更依靠于W的变化,因而流量系数随着W的增大而升高的曲线变得平滑.为时,出口面积相对于和时减小,主流对二次流的阻塞效应会很大,在流动损失和阻塞效应的综合影响下,总损失变化较小,使得流量系数随W的增大而增加甚微.结论)流量系数随着Br的增加而增大,Br从增至,最大增幅为;增幅随着Br的增大而减小.主流Re对流量

10、系数的影响较小,最大增幅不超过,并且越大,影响越小.)Br时,对流量系数的影响较小,最大增幅不超过.Br,时,从增大到,流量系数增幅,从增大到,流量系数变化较小.)Br时,W对流量系数的影响较小,最大增幅不超过.Br,时,流量系数随W的增大而逐步增大,且增加趋势随着的增大而变化平缓.W从d增至d,时流量系数增幅,时增幅,时影响较小.)根据双向扩张孔流量系数试验数据,在实际应用中,从增至,W从d增至d的加工精度对流量系数影响较小.考虑工艺难度和强度因数,在该尺寸范围内,宜选择和Wd的孔型构造.参考文献林汝谋工业燃气轮机发展的关键技术J热力发电,():LINRumouKeydevelopments

11、ofindustrialgasturbineJThermalPowerGeneration,():GRITSCHM,SCHULZA,WITTIGSHeatTransferCoefficientMeasurementsofFilmCoolingHolesWithExpandedExitsC/ASMEInternationalGasTurbineandAeroengineCongressandExhibitionAmericanSocietyofMechanicalEngineers,GRITSCHM,SCHULZA,WITTIGSDischargecoefficientmeasurementso

12、ffilmcoolingholeswithexpandedexitsJASMEJournalofTurbomachinery,:HAYN,LAMPARDD,BENMANSOURSEffectofcrossflowonthedischargecoefficientoffilmcoolingholesJJournalofEngineeringforPower,():GRITSCHM,SAUMWEBERC,SCHULZAEffectofinternalcoolantcrossfloworientationonthedischargecoefficientofshapedfilmcoolinghole

13、sJASMEJournalofTurbomachinery,:朱惠人,许都纯,刘松龄气膜孔形状对流量系数影响的实验研究J推进技术,():ZHUHuiren,XUDuchun,LIUSonglingTheexperimentalinvestigationintheeffectsoffilmcoolingholesshapeondischargecoefficientJJournalofPropulsionTechnology,():GOLDSTEINRJ,ECHERTER,BURGGRAFFEffectsofholegeometryanddensityonthreedimensionalfilm

14、coolingJJournalofHeatandMassTransfer,:GRITSCHM,SCHULZA,WITTIGSEffectofinternalcoolantcrossflowontheeffectivenessofshapedfilmcoolingholesJASMEJournalofTurbomachinery,:HAYN,SPENCERADischargecoefficientsofcoolingholewithradiusedandchamferedinletJASMEJournalofTurbomachinery,():李广超,朱惠人,樊慧明角度和孔间距对双向扩张型孔流量

15、系数影响的实验J航空动力学报,():LIGuangchao,ZHUHuiren,FANHuimingInfluenceofanglesandholepitchesondischargecoefficientsofexpandedholesatinletandoutletJJournalofAerospacePower,():李广超,朱惠人,樊慧明双向扩张型孔射流角度对气膜冷却特性影响的实验J航空动力学报,():LIGuangchao,ZHUHuiren,FANHuimingExperimentalinvestigationonfilmcoolingofexpandedholeatbothinl

16、etandoutletwithvariousinjectionanglesJJournalofAerospacePower,():BUNKERRS,BAILEYJCFilmcoolingdischargecoefficientmeasurementsinaturbulatedpassagewithinternalcrossflowJASMEJournalofTurbomachinery,:ROWBURYDA,OLDFIELDMLG,LOCKGDAmethodforcorrelatingtheinfluenceofexternalcrossflowonthedischargecoefficien

17、tsoffilmcoolingholesJASMEJournalofTurbomachinery,:ROWBURYDA,OLDFIELDMLG,LOCKGDLargescaletestingtovalidatetheinfluenceofexternalcrossflowonthedischargecoefficientsoffilmcoolingholesJASMEJournalofTurbomachinery,:GRITSCHM,SCHULZA,WITTIGSEffectofcrossflowonthedischargecoefficientoffilmcoolingholeswithvaryinganglesofinclinationandorientationJASMEJournalofTurbomachinery,:。