燃气透平导叶端壁层板冷却热-固耦合传热特性的实验研究

The consecutively increasing in turbine inlet temperature of modern gas turbine engine requires more effective cooling techniques to protect the components exposed to high temperature mainstream. In this project, optimal laminated configurations were proposed to cool the end-wall of a high temperature turbine vane. The front-side and back-side end-wall can be simultaneously protected using laminated plate, integrated with film holes, impingement cooling holes and pin-fins. End-wall cooling characteristics and thermal strain distributions at hot environment with mainstream-to-coolant temperature ratios from 1.8 to 2.0 were captured using advanced measured-techniques, including digital speckle correlation, infrared radiation thermometer, and time-resolved particle image velocimetry. To simultaneously improve cooling effect at the end-wall and weaken the secondary vortices and thermal strain, the optimal design of the configuration and layout of laminated cooling structure was carried out using the fluid-solid-heat coupling concept.

随着燃气透平进口温度的不断上升，先进的叶栅端壁冷却技术越来越重要。本项目提出利用优化层板结构冷却高温燃气透平导叶端壁的新思路。层板结构集气膜、冲击和扰流传热于一身，具有结构紧凑、高效传热的特征，能够大幅度提高冷却工质利用率，充分对端壁的燃气侧和背部侧表面进行双重冷却，消除端壁冷却死角。本项目利用先进的非接触式测量手段（包括数字散斑相关方法、远红外热图像测量、时序粒子图像测速）探测高温环境下（热-冷气体温比在1.8-20之间）端壁层板冷却和表面热应变分布特性。利用流-热-固耦合的思想优化设计层板冷却结构与布置方式，以期达到“使用较少冷却工质下同时保证端壁冷却效果、结构紧凑条件下减少叶栅通道气动损失和端壁表面热应变”的目的。

先进航空发动机的第一级涡轮导向叶片端壁不仅直接暴露在高温燃气中的面积大，而且受到叶栅通道中特有几何结构约束产生的复杂涡系影响，致使冷却困难、部件热损坏严重。本项目提出利用优化层板结构对端壁进行双侧冷却、消除冷却死角、延长寿命的思路。针对国内外设计依据匮乏的现象，本项目利用先进的实验手段，开展了端壁内-外双侧冷却结构约束下流-热-固耦合换热特性测量，综合评估层板结构对端壁冷却、端壁结构强度和端壁表面流动的影响，并对端壁层板布置方式提出优化建议，最终获得“在保证高效冷却效率的同时，使端壁传热分布均匀、热变形最小、叶栅二次流损失最小”的冷却布局。项目主要研究内容与成果如下：1）控制热-冷气流温比在1.6至2.4之间，探讨了高低温比条件下端壁综合冷却效率的差异，获得端壁不同区域内温比、材料毕渥数与综合冷效的经验关系，修正低温低压下的测量结果；2）探讨了气膜平板厚度对层板端壁冷却特性与叶栅流动特性的影响，阐述了薄板对端壁流动带来的利弊；3）探讨了具有薄板、微孔的层板结构替代现役气膜冷却端壁的可行性，验证了恶劣环境下，层板结构的热-固特性的优异性，同时发现端壁前缘区域的层板最易发生热破坏；4）探讨气膜布局对端壁流-热-固耦合传热特性的影响，验证了将耦合传热实验下准确预测的温度分布作为端壁气膜布孔的依据，可以延长端壁寿命；5）根据端壁前缘马蹄涡的危害性，探讨前缘出流对端壁流-热-固耦合传热特性的影响，发现气膜孔形成的反肾形涡，是对抗端壁前缘马蹄涡的关键；6） 探讨层板优化布置方案，明确将“内外冷效与端壁传热系数的关系”作为端壁层板冷气结构设计准则，可以确保端壁整个表面温度分布均匀；7）通过高温验证优化冷却结构，发现较气膜端部而言，温比、湍流度、及端壁弯曲变形对层板端壁综合冷却的敏感性更低。这些研究成果可以为未来发动机的端壁冷却设计提供一定的参考。