高温高湿透平中多物理场耦合机理研究

未来的零排放/近零排放动力机械中透平将处于高温高湿的运行环境之下，高温高湿燃气导致了透平的流动传热特性将取决于对流/导热/辐射的耦合作用。本课题从这一内部流动的本质出发，依托高温气膜冷却试验台，辅以对流/导热/辐射全耦合数值分析手段，研究不同涂层条件/不同燃气湿度/不同燃气温度/不同气膜冷却参数条件下高温高湿透平环境中流场/温度场/辐射场的耦合作用机理；揭示导热/辐射引起的温度场变化规律；归纳耐热涂层的冷却衰减效应，提炼多参数影响下的气膜冷却特性，从而完善对于高温高湿透平中流动传热复杂特征的科学认识，为发展具有我国自主知识产权的零排放/近零排放动力机械奠定理论基础。

未来的零排放/近零排放动力机械中透平将处于高温高湿的运行环境之下，高温高湿燃气导致了透平的流动传热特性将取决于对流/导热/辐射的耦合作用。本课题从这一内部流动的本质出发，通过有机结合实验、数值和理论分析等研究手段，圆满完成了高温高湿环境中透平冷却耦合传热机理研究：.通过改建清华大学自主搭建的高温多组分耦合传热实验台，拓展了实验参数范围，提高了实验精度；通过一系列的高温高湿实验，建立了气冷透平的多参数流场/温度场/辐射场数据库；基于多场耦合并行算法和高温气体光谱数据库，发展了高温高湿工况辐射计算的加权灰气体光谱模型，发展了适用于高温高湿环境传热的对流/导热/辐射耦合数值模拟方法，并通过与实验结果的比对验证了其计算精度；基于实验和数值的结果，掌握了在不同燃气组分/不同涂层条件/不同流动传热参数下高温高湿透平中温度场的变化规律，掌握了高温高湿环境中对流/导热/辐射耦合作用在多参数条件下对气膜冷却和TBC涂层隔热效应的作用机制，并据此提出了辐射修正因子和耦合气膜冷却效率；在此基础上，基于局部传热相似原理分析了气冷透平的高温相似性，提出了控制实现总体冷却效率相似的方法。.本课题按照课题申请要求圆满充分地完成了研究内容，为我国燃气轮机自主研发提供了基础理论支持。该项目所取得的基础研究成果已经被融入具有自主知识产权的燃机高温气冷透平优化平台，并已经在燃气轮机与煤气化联合循环国家工程研究中心自主研发我国重型燃气轮机母型机的透平一级静叶和动叶的设计中发挥作用。