涡轮叶片双工质高效冷却及热应力协同机理研究

热端部件冷却技术是高温涡轮研制的关键核心技术之一,先进的冷却技术不仅能大大降低高温涡轮叶片的整体温度，还能最大限度地减小叶片的热应力。双工质冷却技术是目前工业燃机最为先进的冷却技术之一。对于高温涡轮双工质冷却叶片，高效冷却和热应力增大是一对孪生的对立统一体。为了有效解决这一难点，本研究拟采用过热水蒸汽和空气替代原单一的空气作为冷却工质，设计双工质冷却新型结构。通过理论数值计算和实验研究相结合的方法,解决单元冷却结构下空气与蒸汽换热及流动机理、双工质高效冷却的流量协调分配以及双工质冷却叶片的热应力分布规律，研究叶片不同工质、不同冷却结构下的冷却换热机理，建立科学合理的双工质冷却结构设计方法，揭示双工质冷却叶片流动、传热及热应力的协同物理机制。

基于10种内冷带肋单元通道和某五内冷光滑通道的试验叶片的蒸汽/空气流动及换热特性的试验数据，以某重型燃机的涡轮第一级导叶为研究对象，量化了叶栅级内通道的蒸汽内部冷却效果；基于试验数据发展了一种较为准确的高度非线性的三维定常叶栅气热耦合理论计算方法。理论研究了叶栅级单纯蒸汽内部冷却结论的适用性与一致性问题，得出高温涡轮叶片单纯蒸汽冷却能力不足，指明了高温涡轮叶片采用蒸汽冷却技术的设计方向。.基于蒸汽高效冷却与热应力相协同的高温双工质冷却叶片结构设计理念，建立了双工质冷却结构设计的气热弹多物理场耦合理论计算方法，并基于已有的试验研究数据，从而构建了一种较为准确可靠的集成的双工质冷却结构设计系统方法。.结合五通道冷却结构的不足之处，利用双工质冷却结构设计系统方法，针对某重型燃机的涡轮第一级导叶，在五通道叶片冷却结构的基础上优化设计出了一种蒸汽高效冷却与热应力相协同的高温双工质冷却叶片。接着对该双工质叶片进行了冷效和热应力测定试验，试验结果表明，所设计的叶片可实现冷却效率高、表面温度分布均匀，热应力小，符合设计理念。.通过本课题，初步建立了一套基于冷却效率与热应力协同设计叶片冷却结构的规律和方法，通过冷却效率和热应力的测定试验研究，探讨叶片各部位冷却结构的冷却效率和热应力水平，体现了高效冷却与热应力这一对矛盾的存在，并深入揭示了这两者之间协同关系的机理。