文摘
膜冷却技术是一种常用的方法,热保护燃气轮机热的部分。提出了一个新的形状,膜冷却孔。直通的几何形状是由圆柱形进料孔倾角为30°紧随其后的是一个扩展部分。膨胀节是由相同的旋转倾斜平面上圆孔轴正常,飞机通过进料孔出口的中心区域。这个形状是为了减少肾脏漩涡的恶化影响的适当的冷却液流分布新兴孔出口截面面积。例四个旋转角度(7°,14°,17.5°,21°)的实验和数值研究了吹比率为0.5,和2.0。比较,常用7°7°7°扩散孔几何也否则相同的条件下进行测试。数据收集,压敏漆(PSP)技术被用来测量膜冷却效果。回水区,spanwise-averaged电影有效性结果比较不同几何图形的表现。主要结论是21°旋转角度的情况下产生最高的电影效果,优于7°7°7°扩散孔几何学。
1。介绍
燃气轮机是广泛应用于工业和军事领域。来满足日益增长的需求对涡轮效率和输出功率,在燃烧室气体的温度正在不断增加。膜冷却是一个外部方法用于燃气轮机保护组件暴露在热气体。主要的思想是引入一个次要流体从离散电影组件表面的一个洞。冷却剂形成一个薄层覆盖在下游地区防止接触热气体。我们的目标是获得最大冷却剂覆盖的最小气动损失。
膜冷却的研究开始早在1960年(1]。Hartnett et al。2]研究了切向注入和收集了传热数据条件下的绝热和恒热流墙壁。戈尔茨坦(3)提出了一个回顾,总结了早期电影冷却几何图形和研究。等基本几何图形切向注入层,反向冷却剂注入,角度的位置在他的书房里可以找到。多年来,研究人员(4- - - - - -14)有所改善的有效性不断发展中不同的几何图形。地堡(15)总结了文献形状的孔气膜冷却30多年。他指出,形状的洞对主流湍流强度的变化敏感度低。大部分形状的孔的最大优势是吹的有效性增加比例。然而,肾脏漩涡的形成始终是一个问题,防止冷却液添加到目标表面。
Anti-kidney-vortex几何图形被还在调查中早在1997年et al。16]。Double-jet和sister-hole几何图形进行了调查在过去的十年里(17- - - - - -22]。最近,周et al。23),姚明et al。24朱,et al。25]研究了侧孔的直径比的影响和主要孔在double-jet膜冷却效果和三脚架。上游和下游之间的交互膜冷却行被王的主题调查et al。26)得出结论,这样的相互作用减弱的影响肾脏漩涡。一些有关美国专利也被研究人员在这个领域(注册27- - - - - -29日]。在这项研究中,提出了一种扩散孔,可以设想为一段,可以由一个圆孔轴的旋转在数据1和2正常膜冷却表面,通过计量孔截面的中心。与今天的激光钻井技术,这些漏洞很容易可生产的。与旋转角度 ,这些膜孔几何图形被认为降低肾脏漩涡的影响没有任何方面的帮助下洞。每个膜孔从一个圆形计量孔开始,一直延伸到大约一半的壁厚,然后横向扩展,如图1。由于膜孔弯曲的出口区域,冷却速度剖面最大沿轴的孔出口截面面积和减少到最低限度的边缘;因此,没有一个强大的冷却剂之间的相互作用和主要(热)这些边缘绕流导致没有肾脏漩涡旋转角的超过一个阈值, 。四种情况下,所有的倾角 和四个旋转角度, ,14°,17.5°,21°,如图2和3,研究了吹比率为0.5,1和2。传统的7°7°7°扩散孔作为基准的情况下,这些提议膜孔几何图形的结果进行了比较。
在实验部分,压敏漆方法,经过验证的技术,是用来衡量电影效果。使用纯氮气作为冷却剂和空气为主要(气)流,在环境条件下,密度比接近0.97。
2。实验装置
图4显示的图表表示空气和氮气以下的试验装置以及不同的膜孔的可移动试样几何图形是使用五轴数控铣床加工。空气和氮气以下都用0.127厘米厚明显压克力塑胶板制作的。每个充气配备了蜂窝矫直机发送均匀流流向的主要通道和膜孔。空气进入主要通过承口开大充气通道。
如图5100 psi的叶轮式空气压缩机提供相对应的主要流雷诺数为87200。空气干燥器是连接到压缩机把水蒸气。两个筒式过滤器是用来去除任何残留空气中的水蒸气流。冷却剂是由商用氮罐。关键的文丘里米,哽咽的进气道流条件,和精密压力刻度盘是用来控制和测量空气的质量流率和氮。k热电偶插入通过小孔进入测试区,管道使用温度测量流的温度采集系统。可移动测试板有三个电影孔放在氮充气,刷新每个测试期间与主频道底面。所有几何图形的报告数据的中间孔消除任何副作用。400 nm紫外线LED灯(Thorlabs M405L3安装LED)和CCD相机的1600×1200像素分辨率(ImageSource DMK 23 u274)与610 nm滤光器被安装在测试板的数据收集。
测试板明确17.78厘米,长7.62厘米的长方形丙烯酸塑料的厚度1.143厘米。三个平行等距的膜孔钻的节圆直径的比例 对于每个案例。明确丙烯酸塑料加工试样, ,在压敏涂料应用如图6。基线几何,常用7°7°7°扩散孔,所有新提出了膜孔的几何图形进行比较的数据所示2和3。所有电影洞角 与主要流向(倾角),他们都有一个圆形的入口部分的 长(图2)。
3所示。压敏漆和校准
西班牙纳瓦拉(30.]介绍了压敏漆(PSP)技术测量膜冷却效率。显著改善实现热敏涂料(TSP)和红外(IR)技术。PSP技术是在等温条件下进行的;因此,几乎没有热损失测试期间。这是一个很大的优势与传统的方法相比,一个数据时必须考虑任何可能的热损失减少。因此,有一个小的不确定性中提取数据。此外,早期的电影有效性测量技术要求热电偶由于其易于安装。然而,热电偶的数量有限离散点在目标区域不可能产生一个连续的表面的热图像准确。这个缺点,加剧了与他们相关的领导和热损失增加整个实验的不确定性。相比之下,PSP膜冷却效果的方法生成一个连续的图像与高分辨率(照度强度)整个表面接受调查。 The UniFIB® pressure-sensitive paint from ISSI Innovative Solutions Inc was used in this study. This paint is a single component PSP optimized for a maximum luminescent signal while maintaining high pressure sensitivity and low temperature sensitivity. FIB Basecoat™ was used as the base coat before applying the PSP. This compound is sensitive to the oxygen partial pressure in the air-coolant mixture. When a UV light source (a 400 nm ultraviolet LED through a convex lens with 15 cm focal length, in this study) is cast on the painted surface, the paint illuminates with varying intensity depending on the partial pressure of the surrounding oxygen. This PSP property is exploited to our advantage to measure the film cooling effectiveness. Analogy between the mass and energy transport equations under identical boundary conditions (impermeable wall versus adiabatic wall) reveals that the film cooling effectiveness can be recast into
的强度比是一个函数的氧气分压可以模仿
电影开始前有效性测试,PSP被校准来确定功能发光和氧气分压之间的关系。相同的一个小试样喷油漆是放置在一个密封室与真空泵相连。的燃烧室压力降低了大气压力(101.3 kPa)时约3 kPa精密真空计(皮拉尼真空计,275系列,库尔特·j·Lesker公司)测量腔内的压力,和五个热电偶测量温度在不同的位置。在校准过程中,相同的照明和相机安排在影片中有效性测试被用来激发光强度和记录。试样是校准不同的表面温度22.3,25岁,30岁和35°C。给出详细的校准设置Baldino和Taslim [14]。图7显示了校准的结果表明发光的功能依赖氧气分压保持不变的,表面温度的范围。5th度多项式表示最适合本研究中使用的数据来确定电影效果。
4所示。电影效果测试
一个典型的测试开始设定目标主要流(空气)冷却液流。适当的照明设置在目标表面上,相机是专注。一旦系统达到平衡,基线拍摄照片作为参考光强度,所有捕获的照片在膜冷却效果测试比较。接下来,冷却剂(氮)打开,将预定的质量流率对应于所需的吹比例。两个临界流文氏管(窒息条件)测量的主要和冷却流质量流率。这些质量流率,除以膜孔的主要通道和入口截面法,分别给了 , 和吹比例:
freestream湍流强度测量的主要通道是3.86%。
真空压力测量传感器被发现不确定性的主要来源。因为每个测试只需要几分钟,PSP的衰变变得微不足道(31日]。错误与LED照明和CCD相机以及轻微的温度变化(图7)是无关紧要的。因此,膜冷却效果的不确定性,克莱恩的方法(32),可以表示为
电影效果的导数的氧气分压对方程(1)是 21.21在哪里在空气中氧的摩尔分数。真空压力传感器精度取决于测量压力:
因此,氧气分压的不确定性是由绝对压力的不确定性乘以空气中的氧浓度百分比:
总之,最大的不确定性计算是有效性%。更多细节的不确定性分析讨论了Baldino和Taslim14]。
5。计算模型
计算域包括的主要通道,冷却液静压箱,5膜孔的几何图形。固体模型中创建Solidworks和进口强大ICEM-CFD™通过Ansys网格化。图8显示了计算域和网状分布的细节在一个典型的中间孔几何有两个对称的侧墙。细胞在所有模型完全六面体的CFD分析的首选,不同大小bigeometrically边界的计算域的中心,以细网格边界附近。使用流利的CFD分析/解决通过Ansys, Inc .)一个压力校正,多次拉丝,多栅的、非结构化/自适应解算器。冷却剂和主要通道空气质量流率数值模型相同的实验。分别为他们在300 K和320 K。主要通道出口压力边界条件相同的实验室,可实现的湍流模型采用结合增强墙功能。其他湍流模型等和标准湍流模型尝试但没有减少与实验数据的差异。研究细节在墙上的地区,平均水平第一层细胞控制是所有情况下低于5。主要的流的湍流强度将相同的测试。主要的流动边界层厚度进行了计算所以,冷却剂不影响它的发展。网格独立实现300万六面体的元素为一个典型的模型。
然而,所有模型运行的六面体的元素总数约400万人。剩余资金所有变量的所有模型都不到 。收敛,因为大多数情况下,在30000次迭代实现。
6。结果与讨论
膜冷却效果实验轮廓下游的四个新几何图形数据所示9- - - - - -12。每个图表示三个吹的比率 ,1和2。一些轮廓的轻微的不对称是由于加工缺陷。视觉比较这些轮廓显示的情况 做更有效的覆盖目标表面的,特别是对于大吹比2,冷却剂进一步延伸,轴向和横向。除了 冷却剂情况下,覆盖面积的增加随着吹风比的增加从0.5到2。在 几何,它的小出口区域创建一个强大的飞机导致排出,特别是 。然而,随着增加,大孔出口截面面积导致冷却剂在横向方向上的扩散,削弱了肾脏的漩涡,因此增加了电影的报道。同样,CFD轮廓的下游膜冷却效果这四个几何图形数据所示13- - - - - -16。这些轮廓与实验结果有很好的一致性 代表最好的报道,这部电影冷却效率随吹风比。双条纹图15和16涡可以表明一代由于扩散膜孔的出口,加剧了锋利的边缘在CFD模拟运行。数据17- - - - - -19不久,讨论显示,迁移的主要热流中心线为这些情况下从而减少电影效果沿中心线。实验几何,然而,有一个轻微的舍入出口边缘,由铣床公差,阻止退出漩涡的形成。
area-averaged有效性值之间 在数据9- - - - - -16如表所示1和2。实验电影有效性结果略高于那些CFD分析的 和1.0。在 ,然而,实验结果低于CFD结果。等传统湍流模型的标准和与海温选项打开我们的CFD运行最终结果没有显著改善。实验和CFD结果表明的情况 与所有吹比率具有最好的性能。预计这种行为是相同的冷却剂从一个区域出现1.75倍基准孔出口截面面积的大约57%的平均速度在基准孔的情况下减少与主要的交互流。因此,它提供了一个更有效的目标区域的覆盖。spanwise-averaged电影有效性变化的实验以及数值结果流向数据所示20.- - - - - -25。实线代表了测试数据,而虚线显示计算结果。应该注意的是, 对应于最远的出口,特别是吹比率更高,预计。我们包括几何看到提出的阈值超出几何执行比扩散孔。测试数据和计算结果之间的协议是公平和提高吹比例。应该注意的是, 对应于最远的出口点冷却孔在目标表面上每个几何图形如图3。结果与7°7°7°扩散的结果洞,我们的基线几何学。一些观察:吹1和2的比率,新的提议文件孔几何图形 ,17.5°,21°执行比7°7°7°扩散孔。
下的性能 与扩散的性能基准孔是可以理解的 洞非常接近一个直通圆柱孔和飞机升空的发生和肾脏漩涡的存在。
图26代表了电影的视觉比较有效性五个膜孔几何图形的性能。相同的尺度在所有图表,可以看出,随着旋转角度增加,膜效率stream-wise方向增加。它还表明, 和21°几何图形呈现优越的电影报道,相比传统的7°7°7°扩散孔。
数据17- - - - - -19显示了CFD涡度大小轮廓在所有情况下的简化所有吹比率。这些轮廓生成飞机上正常到目标表面 。基线几何,这些数字的底部部分, 几何,上面部分的数据,影响肾脏漩涡的形成,推动冷却剂远离目标表面,流线上的速度方向证明了这一点。这两个几何图形,我们注意到在前面的部分中,产生更低的电影效果值。图27显示了涡度级的鸟瞰轮廓和速度矢量平面的距离从目标表面。强劲的主要流动和冷却剂相互作用,由大型相交的向量,建立肾漩涡影响电影的报道。这种情况下的例子有第一和第二第三列。表3给出了总体绩效评估这五个几何图形基于涡度轮廓观察。顶部和底部行对应于这两个几何图形。作为增加时,我们看到一个不同的流动结构。其余三个新的几何图形( ,17.5°,21°)创建强大的antivortex流吹比0.5(数据结构17,18和26向下)导致对目标表面冷却速度矢量。几何图形对应的范围就越高执行antivortex几何图形。
图28目前的研究显示了电影效果比较和开放文献[6,33]。14°横向扩张角,目前优于其他两个几何形状的孔出口区。太阳的几何et al。33显示了更高的效率 由于其小螺距直径比相比,目前的研究( )。一般来说,当前弯曲扩散设计增加了整体膜冷却效果。
为进一步提高旋转角度超出21°膜冷却效果可能会进一步改善,孔间距与直径比普遍实行, ,6、旋转角度将进一步增加邻孔出口太接近彼此,从而使建筑的结构完整性打折扣以及膜冷却效果由于冷却剂的相互作用从相邻孔出口排出。
7所示。结论
在这次调查进行了实验和数值研究四个新膜孔的几何图形。压敏漆是用来衡量电影效果吹比率为0.5,1.0和2.0。比较了这些拟议的新电影的拍摄效果结果之间的漏洞和传统的7°7°7°扩散孔。本研究的主要结论如下:(一)作为洞旋转角度, ,增加,膜效率下游孔出口增加;(b)由孔性能提出了有效性的最好的电影 ;(c)最小的旋转角度, ,表现出最糟糕的表现因其最小出口截面面积,导致冷却剂发射;(d)对所有测试比率,吹的情况下 ,17.5°,21°显示电影效果优越性能,与传统的7°7°7°扩散孔;和(e)的数值结果与实验数据吻合较好。
命名法| : | 主要流道面积(38.71厘米2) |
| : | 化学浓度(%) |
| : | 膜孔入口直径(图3)(3.81毫米) |
| : | 主要通过水力直径(60.96毫米) |
| : | 光强度(像素强度值) |
| : | 参考光强度和测量强度的比值 |
| : | 每个膜孔(图的总轴向长度2) |
| : | 饲料(入口)孔长度(图2,9.53毫米) |
| : | 氮气流量在每个三脚架(公斤/ s) |
| : | 主要通道空气质量流率(千克/秒) |
| : | 吹比 |
| : | 冷却剂分子量(28公斤/ kmol) |
| : | 主流(空气)分子量(28.97公斤/ kmol) |
| : | 孔间距(22.86毫米) |
| : | 压力(Pa) |
| PSP: | 压敏漆 |
| : | 主要通道方法空气中氧分压(方程(1),21个kPa) |
| : | 氧气分压在一个给定的点气膜孔下游(方程(1),kPa) |
| 再保险: | 基于通过水力直径的雷诺数 |
| : | 温度 |
| : | 无量纲温度 |
| 茶匙: | 热敏涂料 |
| : | 主要通过气流速度(米/秒) |
| : | 形状的洞前进角(图2) |
| : | 形状的孔外侧角(图3) |
| : | 膜冷却效果 |
| : | 空气动力粘度(公斤/ (m·s)) |
| : | 洞旋转角度(数字1和3) |
| : | 空气密度(公斤/米3)。 |
| 亚历山大-伍尔兹: | 绝热壁 |
| 黑色: | 黑色的 |
| c: | 冷却剂 |
| O2: | 双原子氧 |
| N2: | 氮 |
| 裁判: | 参考 |
| ∞: | 主流频道。 |
数据可用性
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的利益冲突
作者宣称没有利益冲突。