高温叶片前缘内部旋流冷却的流动与传热机理研究

As gas turbine blade’s leading edge is scoured by high temperature inflows, it witness very high heat flux. So the blade leading edge must be cooled effectively to make sure the gas turbine works safely. In order to improve the cooling efficiency of the cooling methods in the blade leading edge, it is very important to investigate the flow and heat transfer characteristics of the swirl cooling on turbine blade leading edge. Therefore, based on the applicant’s early study and aimed for the development of cooling technique with high efficiency and safety, this project plans to study the flow and heat transfer mechanism of swirl cooling in turbine blade leading edge numerically and experimentally with the help of visualization test technology and advanced CFD method, understand the effect of different flow, geometrical parameters, and rotor blade rotation on the flow structure, resistance and heat transfer characteristics of swirl cooling, reveal the flow and heat transfer mechanism of swirl cooling, subsequently offer solid theoretical basis and experimental verification for the development of efficient blade leading edge cooling technology, thus providing related theoretical foundation for the research and development of our self-owned intellectual property in the high temperature gas turbine blade.

燃气透平叶片的前缘工作时处在高温燃气的强烈冲刷下，其热负荷极高，因此是叶片中最容易烧蚀的部位之一。为确保透平高温叶片高效可靠的工作和合理的运行寿命，必须采用有效的冷却技术对其进行保护。为此，本项目拟结合机理性实验和三维数值计算，深入研究叶片前缘旋流冷却的流动与传热机理。采用先进的可视化流动和传热测试技术以及包含湍流模型和转捩模型的对比等精确热流耦合数值模拟方法，通过详细研究不同气动参数和结构参数及动叶旋转状态下叶片前缘内部的旋流冷却特性，阐明各参数对旋流冷却的流动结构、阻力特征和传热特性的影响机制，揭示叶片前缘旋流冷却的流动和传热机理，探索叶片前缘内部旋流冷却结构的优化方向，以期建立叶片前缘内部旋流冷却的设计理论，为发展叶片前缘冷却设计技术，研发具有自主知识产权的燃气透平高温叶片奠定理论基础并提供技术支撑。

燃气透平进口温度决定了其热效率和性能，因此，其发展一直伴随着进口温度的提高。而透平叶片前缘在高温燃气的强烈冲刷作用下，其热负荷非常高，易于烧蚀。为确保透平高温叶片高效可靠的工作，必须采用有效的冷却技术对其进行保护。本课题以叶片前缘内部旋流冷却为研究对象，采用数值模拟和实验测量手段，对透平叶片前缘内部旋流冷却的流动换热进行了系统的数值分析与实验验证。首先对不同湍流模型数值求解叶片前缘模型旋流冷却流动和换热的精度进行了实验验证，结果表明采用带曲率修正的SST k-ω 模型计算的圆管旋流冷却流动与换热结果与实验结果吻合得较好。然后研究了雷诺数和冷却射流与旋流腔壁面温比等气动参数，以及射流腔长宽比、冷却射流入射角度、射流腔间距等射流进口结构参数对叶片前缘模型内部通道中旋流冷却的影响规律，分析了每种结构下雷诺数对叶片前缘模型整体换热性能的影响；并在此基础上以GE-E3第一级动叶前缘为研究对象，研究了射流腔个数和长宽比，以及旋流腔结构、旋转等对实际叶片前缘内部旋流冷却的影响；最后分析了复合冷却中叶片内部冷气的旋转运动对外部气膜冷却的影响。结果表明：旋流冷却的整体平均努塞尔数是非旋转管内充分发展湍流的三倍；叶片前缘模型旋流冷却的整体平均努塞尔数和压损与雷诺数成正比，与射流腔长宽比、冷却流体与旋流腔壁面温比成反比，而与冷却流体入射角成二次多项式关系，射流腔与旋流腔夹角为90即垂直入射时可以获得最好的冷却效果；随射流腔间距增大，旋流腔壁面的努塞尔数及其分布的不均匀程度增大；基础截面旋流腔结构的整体平均努塞尔数最大，而曲线形截面旋流腔结构的最小；动叶旋转使旋流腔内整体平均努塞尔数增大；冷气的旋转可以有效提高外部气膜的冷却效率，特别是在高吹风比的工况下。项目研究结果对在叶片前缘旋流冷却设计中考虑各种不同因素的影响，提高透平叶片冷却效率和整机效率、指导工程设计、叶片内部冷却理论的发展完善有指导意义。