跨音速涡轮叶栅中的速度测量

图2 - 在亚音速条件下涡轮叶栅后缘三个平面内的速度和湍流分布; a0是滞止声速。将实验结果与不同的数值湍流模型进行比较(a0滞止声速,w速度,k湍流动能,来自使用u'v' 3/4(u'2+v'2公式来计算的 2D速度波动,c_ax轴向弦长,s叶片间距,xy长度坐标)。

3  - 速度测量使用纹影可视化显示了高速冷却气膜围绕涡轮叶片的前缘区域弯曲的影响(这里使用250mm透镜进行LDA测量)。

       在轴流涡轮机叶栅中进行二维速度测量,以及表面压力测量和流动可视化。特别强调叶片尾流中的马赫数和湍流分布以及最近提出的使用高速冷却喷嘴的涡轮叶片冷却系统。

       为提高效率而提高的涡轮机入口温度导致需要对第一级涡轮机叶片和导叶进行全覆盖气膜冷却。在该项目中,通过实验研究了使用欠膨胀射流进行涡轮叶片冷却的可能性。欠膨胀的射流具有向弯曲表面折转的强烈趋势,因此这些气膜具有涡轮叶片前缘气膜冷却的能力。在这个区域,前面叶片的气流尾迹和冲击与冷却气膜之间产生强烈的干扰,降低了冷却效率。实验在该研究所的涡轮机叶栅试验台上进行,以确定这种效果是否会改善涡轮叶片气膜的冷却效率。

       与这些薄膜冷却实验同时进行的是在标准VKI涡轮叶片叶型的尾迹上进行测量。在涡轮机械中,尾流与静子和转子之间的相互作用引起的固有不稳定性对效率和性能具有显着影响。湍流尾流的预测很大程度上取决于湍流模型。因此,为了验证数值计算的代码,通过实验和数值计算对标准涡轮叶型进行了研究。

 

实验设备

       热力涡轮机械和机械动力学研究所有几个试验台,其中包括一个轴流叶栅试验台和一个目前正在建设中的跨音速试验涡轮机。这些试验台由位于该部门的3MW压缩机站连续驱动运行。为了完成试验台上的测量任务,该研究所配备了Dantec Dynamics LDA系统,该系统基于57N20 / 57N35 BSA增强系统,41T50 3D轻量导线,6W氩离子激光器和60x41 FiberFlow变送器。用于叶栅测试的前部光学系统包括一个具有2.2mm光束直径的60x67 2D探头,一个55x82光束角度调整单元和具有400mm和250mm焦距的镜头(测量区域的长宽分别是100mm和70mm以及每个通道的最大可检测速度分别为430和270 m / s)。该系统由TU Graz机械工程学院的四个研究所共享。

实验步骤

       在湍流和气膜冷却研究中,测试了该研究所的涡轮机械轴流叶栅具有不同叶片数量的各种测试部分。通常,叶片高度为100mm,测试部分入口面积为230mm×100mm。中心部分可通过两侧170mm x 95 mm的窗口部分进入(带有改善测量结果的防反射涂层冠状玻璃)。使用palas AGF-5D粒子发生器和DEHS液态粒子发生器,产生极细的示踪剂液滴,并在测试部分前面6m处添加到流动中。在涡轮叶片的下游区域中,在获取数据时使用高质量因子设置以忽略来自大液滴的数据。观察到较大的液滴,最可能是由叶片通道和叶片后缘区域中的表面相互作用引起的。当使用3D轻质移动横架和250mm或400mm透镜穿过靠近表面的流动时,要么通过使一个光束移动到探头的中心,其余三个光束在平行于表面的平面上的方式调整四个激光束,要么使探针略微倾斜并且两个光束平行于表面,并且两个通道在靠近表面测量时测量到了几乎相同的速度。这使得在重合测量中有更好的验证率。在系统运行时,横木与涡轮叶片精确对准后,我们​​在距表面2/10 mm处进行测量,重新定位精度为±1 / 10mm。

       在所有实验中,BSA1和BSA2处理器的相同频率范围在初步测试运行中优化后使用,主要取决于检测到的湍流水平,并且频率范围越大,记录的噪声越多。针对每个网格点和每个处理器优化中心频率。对于最佳重合率,2D系统以这样的方式调整,即在流动中的某些部分—该部分的湍流结构是最重要的—u和v速度分量具有大致相同的大小。

图1 -在出口马赫数1.2处的涡轮叶栅中的二维速度和湍流测量。左图显示了速度矢量作为数字评估的差分干涉图(密度梯度图)的叠加。清楚可见的是在74测点的第一次冲击和在94测点的第二次冲击。在尾流中,湍流水平显着增加。 (此处湍流水平是RMS除以局部平均值;已使用400 mm镜头)。

测量结果

       图1和图2显示了为了改进数值计算代码进行的的速度和湍流测量,比较了不同湍流模型预测湍流涡轮机械流动的能力。图3记录了一种用于研究高速气膜冷却的新方法。围绕前缘弯曲的冷却薄膜清晰可见。比较了使用和不使用冷却气膜的平均速度。在冷却狭缝(出口高度为0.1mm)之后,冷却气膜和主流立即彼此相反地移动,产生高湍流动能,从该区域中的所有LDV记录(二维重合记录)清晰可见。虽然在剪切层中产生高度的湍流,但是欠膨胀的射流本身完全粘在前缘周围的表面上。在图3中,记录表明流动的滞止点区域中的流动方向和流动幅度的显著变化。该冷却气膜也经受周期性的压力波影响,压力变化高达总入口压力的20%,而不会从具有热防护的表面吹走。在本案例中,使用Dantec Dynamics设备也进行了周期性变化的流速测量。

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