微扰流元件与冲击冷却的耦合强化传热机制

Raising the turbine inlet temperature of a gas turbine is an efficient way to increase the cycle efficiency. However, this brings great challenge to the cooling of hot components. The combination of micro turbulators and impingement is promising the meet the demand of higher turbine inlet temperature. The interaction between micro turbulators and impingement jets is the key to the heat transfer augmentation. It is planned to reach the goals of the proposed project by combining the theoretical modeling, experimental and numerical analysis. Based on the turbine internal cooling test rig, it is aimed to build up a convective heat transfer experiment database of this compound cooling method; to study the influence of the micro turbulators on the development of jet vortices and the reconstruction of the boundary layer; to reveal the interaction mechanism of the jet interference, crossflow and the micro turbulators; to reveal the flow and heat transfer coupling mechanism; to develop an efficient optimization method for the structure arrangement and acquire an cooling structure with high cooling effectiveness, so as to lay a solid foundation for the development of the efficient and clean gas turbine with independent intellectual property rights.

燃气轮机透平进口温度提升是实现更高循环效率的有效途径，但也对热端部件的冷却带来了极大的挑战。微扰流元件与冲击冷却的复合结构是应对更高透平进口温度极具竞争力的一种冷却形式。微扰流元件与冲击射流的交互作用直接关系到该冷却形式的强化换热效果。拟申请的项目将采用实验、理论分析和数值模拟相结合的方法，依托透平内部冷却机理实验台，建立微扰流元件与冲击冷却复合结构的流动传热数据库，阐明微扰流元件对冲击射流涡系结构演变的影响机制和靶面边界层重构机理，掌握射流干涉和横流与微扰流元件靶面的交互作用机制，揭示近靶面区域流场结构与传热强化的耦合作用机理，发展高效的布局优化方法，获得高性能的复合冷却结构，为我国研发具有自主知识产权的清洁高效燃气轮机打下扎实基础。

提高燃气初温是提升燃气轮机循环效率的重要手段之一。微扰流元件与冲击冷却的复合冷却形式通过破坏近壁边界层、增加对流换热面积从而具有潜力达到更高的冷却效率以应对更高的透平进口温度。本项目以微扰流元件与冲击射流的交互作用为着眼点，以微扰流元件与冲击的复合冷却结构为研究对象，采用实验、理论分析和数值模拟相结合的方法，圆满完成了微扰流元件与冲击冷却的耦合强化传热机制研究：. 搭建了微扰流单元冷却实验台，发展了基于PID控制的高精度传热测量技术，建立了微扰流元件与冲击冷却复合结构在不同雷诺数、冲击距离、微扰流元件高度和形状条件下的流动传热基础实验数据库；获得了单孔冲击射流下游靶面附近的流场和传热系数分布特性，掌握了射流干涉和横流与微扰流元件靶面的交互作用机制，阐明了冲击射流雷诺数、冲击距离、微扰流元件的高度、布置方式等对近靶面区域流场和传热特性的影响，结合流动特性及光滑靶面结果，揭示了近靶面区域流场结构与传热强化的耦合作用机理。. 本课题按照课题申请要求圆满地完成了研究内容，为发展清洁高效高性能燃气轮机冷却技术打下扎实基础。基于微扰流元件与冲击冷却复合结构流动传热的机理研究和实验数据库，本课题研究成果表明微扰流元件与冲击冷却复合冷却结构具有能以极小的阻力增加显著强化换热的优异特性，此复合冷却结构将在保证整机效率条件下为解决更高温度等级燃气轮机/航空发动机高温部件冷却问题提供可能，将会在下一代燃气轮机/航空发动机高效冷却设计中发挥较大的应用价值。