高温涡轮叶片气（汽）雾两相流高效对流冷却机理研究

.?????.Convective mist/air (steam) cooling is one of potential promising technology for advanced gas turbine blade cooling. It can greatly improve the cooling effectiveness of turbine blade with two-phase flow. There are many conjugate factors influence the mechanism of turbine vane effective convection cooling with mist/air (steam). The cooling effectiveness of mist/air (steam) cooled turbine vane and the temperature distribution uniformity of the vane surface can be improved only by obtaining the influence principal of key factors on the vane cooling performance. Then the gas turbine performance will be enhanced. This project intends to establish the physical and mathematical model for the flow and heat transfer process of mist/air (steam) in the ribbed internal cooling passage. The flow and heat and mass transfer characteristics of mist/air (steam) in the ribbed internal cooling passage will be studied by adopting the numerical simulation and experimental studies. The effect of conjugate multi-factors on dynamics and convective heat and mass transfer characteristics of mist/air (steam) two-phase flow will be revealed. Using conjugate heat transfer technique and cooling effectiveness experiment, the conjugate flow and heat transfer characteristics of mist/air (steam) convection cooled vane will be investigated in this project as well. The effects of cascade aerodynamic parameters, two-phase working fluid parameters and ribbed cooling channel structure parameters on vane cooling effectiveness will be revealed. Thereby the rule and method of the cooling structure design will be provided for mist/air (steam) cooled turbine vane. The theoretical foundation of the gas turbine vane two-phase flow convective cooling technology can be established.

发展叶片气（汽）雾对流冷却技术，利用两相流提高冷却效率是先进燃气轮机叶片冷却技术的一个重要发展方向。影响涡轮叶片气（汽）雾高效对流冷却机理的因素众多且相互关联，只有深入研究各关键因素对叶片冷却性能的影响规律，才能提高气（汽）雾对流冷却叶片的冷却效率和叶片表面温度分布的均匀性，进而提高燃气轮机的性能。本项目拟构建带肋内冷通道中气（汽）雾流动换热过程的物理和数学模型，采用数值模拟和实验研究相结合的方法，研究气（汽）雾在带肋内冷通道中流动、以及有相变的传热传质特性，获得耦合多因素对气（汽）雾流动和换热特性的影响规律；通过气-热耦合数值模拟和叶片冷效实验，研究气（汽）雾强化对流冷却叶片内、外部耦合流动换热特性，揭示叶栅气动参数、两相流冷却工质参数、带肋冷却通道结构参数对叶片冷却效率的影响规律。从而为优化叶片气（汽）雾对流冷却结构的设计提供准则和方法，奠定叶片两相流高效对流冷却技术的理论基础。

两相流冷却叶片是高效叶片冷却技术的一个重要发展方向，具有广阔的前景和应用潜力。本项目深入研究了气（汽）雾两相流强化冷却高温涡轮叶片的机理，并为优化汽雾对流冷却叶片的结构和冷却工况提供了方法和依据。本项目的研究内容、重要结果主要包括：1）对叶片内冷通道中弥散雾滴的动力学特性以及沉降机理进行了分析，建立了汽雾流动和传热特性分析模型和数值计算方法，以及汽雾冷却叶片的气-热-固耦合数值计算方法，并用实验数据进行了校核验证。2）完善了汽雾两相流冷却叶片实验的参数测量方法。3）通过数值模拟和实验研究，分析了耦合多因素对通道中汽雾流动和换热特性的影响。首先，系统分析了汽雾状态参数和流动参数对传热传质和摩擦特性的影响规律。主要结果发现：相对于空气和纯蒸汽，采用汽雾两相流作为冷却工质，可大幅度提高换热强度，在一定条件下，汽雾冷却出现二次增强现象；在一定热流密度、雷诺数和水雾质量流量比下，汽雾冷却通道的换热系数最高可达纯蒸汽的2.65倍。其次，分析了通道宽高比（1/4，1/2，1/1和2/1）、肋角度（30°，45°, 60°和90°），肋高（e/D=0.047，0.066，0.084和0.103）以及肋间距（p/e=8-14），这些通道几何结构参数对汽雾强化换热性能和摩擦特性的影响，结果显示：最优结构参数为宽高比1/2，肋角度60°，肋间距p/e=12，肋高比e/D=0.066，此时强化换热因子最大。最后，提出用冷却工况因子判断汽雾冷却是否出现二次增强现象，并根据实验数据获得了汽雾换热系数半经验关系式。4）以某重型燃机透平导叶为原型设计了一种带有五个内冷通道的叶片，采用汽雾两相流替代空气作为冷却介质，研究了叶片内、外部耦合流动换热特性，主要结果显示：在相同质量流量下，叶片中弦区汽雾冷却叶片的冷却效率比空气高36%，但前缘和尾缘的冷却效率较低。在此研究基础上，提出将空气冷却与汽雾冷却相结合，外部气膜冷却与内部对流冷却结合的冷却方法和结构优化设计，并实验研究了此叶片的冷却特性，主要结果显示：优化后叶片表面温度分布较均匀；在一定温比、压比和流量比下，叶片尾缘和前缘区域冷却效率分别约为52%和57%，中弦区冷却效率高达71%；叶片的冷却方式和冷却结构对冷却效率的影响非常显著。