双层壁高效冷却单元的流动传热机理研究

Increasing the initial temperature of gas turbines is one of the key methods to increase the cycle efficiency. Double wall cooling as one of the latest cooling technologies, can arrange cooling structures to the required region more flexibly and bring the cooling fluid closer to the hot side of the airfoil, thereby creating a more efficient transfer of heat to resist the higher turbine inlet temperature. It is applied to be studied in the project by combining the theoretical modeling, experimental and numerical analysis. Based on the flat plate film cooling test rig, the internal cooling test rig, the high sub-subsonic velocity air-cooled turbine cascade test rig, the conjugate heat transfer test rig and the high temperature combustion test rig, it is aimed to build up an aerothermodynamic experiment database of double wall cooling structures; to reveal the flow and heat transfer characteristics of the thin wall film cooling with small length over diameter and the small scale near wall internal cooling configuration; to study the flow and heat transfer coupling mechanism affected by multiple factors and develop a conjugate heat transfer model of the double wall cooling structure; to propose a conjugate heat transfer prediction method with high accuracy for the double wall cooled turbine blade. Thus a solid foundation for the development of high efficiency cooling technologies for the air-cooled turbine of a gas turbine with higher initial temperature can be laid.

提高燃气初温是提升燃气轮机循环效率的重要手段之一。双层壁冷却作为一种新型冷却形式，能够更灵活地将冷却结构布置于需要的区域，同时更靠近热端，使其有潜力达到更高的冷却效率以应对更高的透平进口温度。拟申请的课题将以实验研究为主，有机结合理论分析和数值研究方法，依托平板气膜冷却实验台、内部冷却机理实验台、高亚音速气冷叶栅实验台、高温流热固耦合实验台和高温燃烧实验台，建立双层壁冷却结构流动传热数据库，阐明小长径比薄壁气膜冷却的流动传热特征，掌握小尺度近壁冷却单元的流动传热特性，揭示耦合换热的多因素影响机制，建立双层壁冷却结构的耦合传热模型，发展适用于双层壁冷却叶片耦合传热预测的方法，为发展更高温度等级燃气轮机气冷透平高效冷却方法打下扎实基础。

提高燃气初温是提升燃气轮机循环效率的重要手段之一。双层壁冷却作为一种新型冷却形式，能够更灵活地将冷却结构布置于需要的区域，同时更靠近热端，使其有潜力达到更高的冷却效率以应对更高的透平进口温度。本课题以双层壁冷却中小长径比薄壁气膜冷却与小尺度近壁冷却单元及其相互作用为着眼点，以双层壁高效冷却单元为研究对象，以实验研究为主，有机结合理论分析和数值研究方法，圆满完成了双层壁高效冷却单元的流动传热机理研究：. 依托气膜冷却机理实验台、静叶叶栅气膜冷却实验台、内部冷却机理实验台,建立了双层壁高效冷却结构流动传热基础数据库：包括小长径比气膜冷却流动传热实验数据集、小尺度近壁冷却单元的流动传热实验数据集和典型双层壁耦合传热实验数据集；针对小长径比薄壁气膜冷却流动传热特性，掌握了长径比对气膜冷却射流中肾形涡的发展与演变的作用规律，研究了密度比、复合角、和孔长径比对圆柱孔气膜有效度和传热系数的影响机制，提炼了典型叶栅环境中曲率、压力梯度和涡系等对小长径比薄壁气膜冷却的作用机制；针对近壁冷却单元的流动传热特性，掌握了典型小尺度近壁冷却单元内部流动的涡系结构特征及其对内部流动损失和对流传热的影响机制，获得了内部冷却、气膜冷却和外部热负荷综合作用下的近壁冷却单元耦合传热特性；掌握了耦合边界对内部流动、对流换热驱动温度和换热系数的作用机制，凝练了耦合边界对气膜射流涡系和热边界层发展的作用机制。. 本课题按照课题申请要求圆满地完成了研究内容，为发展清洁高效高性能燃气轮机冷却技术打下扎实基础。掌握的小长径比薄壁气膜和小尺度近壁冷却单元的流动传热特征，可用于指导下一代燃气轮机高效冷却设计；获得的双层壁高效冷却结构流动传热数据库、发展的适用于近壁阵列冲击冷却传热系数预测的经验关联式，将会在下一代燃气轮机/航空发动机高效双层壁冷却初步设计和冷却性能预测中发挥重要的应用价值。