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工程热物理所叶栅气膜冷却掺混特性研究获进展

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  燃气透平在高温、高压、高转速下运行,工作环境十分恶劣。为保证透平正常运行,需要对叶片、端壁等进行冷却。气膜冷却是燃气透平叶片关键冷却技术之一,但冷气出流与主流掺混会产生气动损失。研究显示,单级涡轮总冷气量10%,冷气掺混使涡轮效率降低2%(Keogh等,2001)。为了提高气膜冷却效果,降低气膜冷却掺混损失,中国科学院工程热物理研究所研究人员采用脱体涡模拟等模型和实验手段对平板和叶栅冷气出流与主流的掺混机理进行研究,提出了冷气掺混损失模型和掺混损失预测关联式。

  借助DES SAS等数值方法捕捉到了涡脱离瞬间的结构,如图1所示。按照涡的形态和发展过程,将冷气流经区域分成冷气孔-脱离区-融合区-发展区四个部分。冷气与主流的掺混过程为:冷气在孔内产生分离,并在脱离区内,形成较小尺寸的脱离涡(对应频率650Hz到800Hz),这些较小的结构在融合区内融合成较大尺寸的脱离涡(对应频率为550Hz),然后在发展区内与主流掺混过程中逐渐耗散。

  研究人员对已有的平面叶栅实验台进行改造后,安装3D打印的二维直叶片,采用自动位移测量机构测量叶栅出口总压,并计算气膜冷却引起的出口总压损失系数,结果如图2所示。下一阶段工作主要是进行不同孔型叶栅气膜冷却掺混实验,在实验和CFD结果的基础上,进一步完善掺混模型,推导和修正掺混损失预测公式,以期能用于冷却系统和整机通流程序设计。

  相关研究成果已经在《工程热物理学报》、Journal of Thermal Science、ASME Turbo 2016等期刊和会议上发表,研究工作得到国家自然科学基金重点项目支持。

图1 DES捕捉涡脱离瞬间结构

图2 圆柱孔射流对叶栅出口总压损失的影响

  编辑:叶瑞优

  新闻来源:http://www.cas.cn/syky/201606/t20160625_4566065.shtml

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标签: 气膜