涡轮叶片发散冷却结构微细颗粒沉积机制及其影响

To improve the efficiency of gas turbine engines the gas inlet temperature has to be increased beyond the failure temperature of the turbine blade and vane material. In other words, gas turbine blades have to be protected from the hot gases using a thin fluid film that is wrapped around the blade. Compared to other advanced cooling techniques, effusion cooling is a competitive choice. Effusion cooling can significantly enhance convective heat transfer (cooling) inside a large number of inclined holes before the cooling air forms a cooling film on the hot-side surface..As the film hole takes on mini-scale, the effusion cooling face serious blockage risk owing to fine partice ingestion and deposition. How to avoid this technology risk is a key problem for the potential application. The present project seeks to identify several major issues for the advancement of turbine blade effusion cooling. These issues are mainly focus on: the particle diffusion in the coupling flow field between effusion jets and main flow, the particle deposition model and deposition mechanism on effusion cooling configuration, and the particle deposition effects on effusion cooling performance. The project objectives are outlined as following: build up particle deposition analysis model and depositon process analysis method on effusion cooling configuration, reveal the interaction machanism of particle diffusion-particle deposition-cooling performance for effusion cooling, and seek an efficient routine to avoid particle blockage risk by coolant flow optimization inside coolant flow passage. The present project takes on multi-disciplinary feature, being of significant therotical and applied values.

致密气膜孔发散冷却是一种高效的涡轮叶片冷却方式，在工程应用中面临着冷却通道特征尺寸微小化所带来的微细颗粒沉积堵塞风险。如何在获取高冷却效益的同时，有效规避微细颗粒的危害性沉积行为，是致密气膜孔发散冷却结构潜在应用价值体现的关键。本项目针对这一研究背景，系统地开展致密发散射流和叶栅通道主流耦合流场中微细颗粒的扩散特性、致密气膜孔发散冷却表面微细颗粒的沉积模型和沉积规律、微细颗粒的沉积形貌对致密气膜孔发散冷却性能的影响规律等基础科学问题的理论和实验研究。试图通过本项目的研究，建立致密气膜孔发散冷却表面微细颗粒的沉积模型和沉积形貌构建方法，揭示致密发散射流和叶栅通道主流耦合流场中微细颗粒的扩散-沉积特性与涡轮叶片冷却性能之间的内在关联，并通过优化冷却通道内气流流动的组织方式有效规避致密气膜孔发散冷却结构的技术风险。项目研究具有学科交叉特色和重要的学术和应用价值。

高性能燃气涡轮发动机热力循环温度的不断提高导致热端部件热负荷急剧增加，发展和创新高效的热端部件气膜冷却技术具有重要的应用需求。发散气膜冷却是一种高效的涡轮叶片冷却方式，由于其冷却通道特征尺寸微小化，在实际应用中将面临着严重的微细颗粒沉积堵塞风险。本项目针对这一研究背景，系统地开展了微细颗粒沉积模型和沉积形貌构建方法、叶栅通道微细颗粒运动和叶片表面沉积、典型冷却结构中微细颗粒运动和表面沉积、气膜孔局部堵塞对气膜射流冷却性能影响以及射流冲击-发散冷却双层壁减缓气膜孔微细颗粒沉积堵塞等若干问题的研究，所取的重要结果归纳如下：.1）针对稀相微粒的特点，建立了微细颗粒与壁面相互作用及沉积模型，构建了微细颗粒聚合和堆叠形成的沉积形貌的计算方法，获得了叶栅通道微细颗粒的运动和叶片表面微细颗粒沉积分布特征，揭示了气膜射流对颗粒沉积的影响。.2）针对肋壁和扰流柱通道、以及射流冲击-发散冷却双层壁结构中微细颗粒的沉积特性进行了研究，揭示了射流冲击-发散冷却双层壁结构有利于降低微细颗粒在气膜孔内沉积堵塞风险的作用机制。.3）针对孔内微细颗粒局部堵塞现象，获得了局部堵塞物的堵塞比、沉积位置对于气膜射流流动传热和冷却效率等性能的影响，揭示出不同位置处堵塞物的影响机制以及冷却特性变化规律。.4）结合孔内局部堵塞效应的研究，提出了一种利用突脊强化气膜冷却的成型孔方案，同时针对成型孔气膜射流、冲击-气膜双层壁强化冷却等问题开展了相应研究，揭示了其强化冷却的作用机制及规律。.5）针对涡轮叶片典型的射流冲击-扰流柱-发散复合冷却结构，开展了微细颗粒扩散特性-沉积特性-冷却特性的共轭计算，获得了射流冲击-扰流柱-发散复合冷却结构中气膜孔局部堵塞效应与单纯气膜孔内堵塞效应的差异。.项目执行期中，获得计算机软件著作权1项，发表学术论文16篇，其中SCI检索6篇，EI检索13篇；培养博士后1名、博士研究生3名、硕士研究生3名。