高密度比条件下气膜冷却流动与传热机理实验研究

To obtain greater thrust and higher efficiency, the turbine inlet total temperature of aero-engines and land-based gas turbines keeps increasing. As a result, film cooling is widely applied in combustion chambers and blades/vanes to improve their tolerance to high temperatures. In relevant domestic and international investigations, compositive experiments to study the film cooling effectiveness from the respective of characteristic flow are in absence. In this project, film cooling effectiveness on a flat plate is measured by PSP, as well as characteristic flow structures are resolved at high density ratios; in addition, effects of characteristic flow on film cooling effectiveness distribution are analyzed. The distinguishing features of this project are as follows: 1.High density gas (gas mixtures) are used as jet to simulate the actual gas turbine working conditions; 2.Coherent structures and their evolution are obtained by the simultaneous acquisition from LDV and fluctuating pressure sensors and stochastic estimation; 3.Quantitative correlations between characteristic flow structures and film cooling effectiveness are developed. The project is significant to the theoretical and engineering investigation of gas turbine hot-end components in checking the performance of new film cooling geometry and reliability of CFD simulation.

为了获得更大的推力和更高的效率，航空涡轮和地面燃气轮机的涡轮前温度一直不断提高。为此，气膜冷却被广泛应用于燃烧室和动静叶片，大大提高了其耐热极限。在国内外相关研究中，结合流动机理，从气膜冷却特征流动的角度分析其冷却性能的综合实验研究相对较少。本项目拟使用压力敏感漆测量平板气膜冷却效率分布的同时，解析主流与高密度射流掺混条件下的特征流动结构，从流动机理的角度定量分析特征流动结构对气膜冷却效率的影响。本项目拟使用高密度气体作为冷却气，模拟燃机真实工况的高射主流密度比条件；使用二维LDV和脉动压力传感器同步测量，并利用脉动压力对速度场的随机预估，获得湍流拟序结构及其演化规律；建立气膜冷却效率和特征流动结构的定量关联，是本研究的特色和创新。此课题对于燃机热端部件冷却的机理探寻和工程研究具有重大意义，可以检验新型冷却结构的性能及其数值模拟结果的可靠性，为设计提供理论支持。

为了获得更大的推力和更高的效率，航空涡轮发动机和地面燃气轮机的涡轮前温度一直不断提高。为此，气膜冷却被广泛应用于燃烧室和动、静叶片，大大提高了其耐热极限。研究方法方面，结合流动机理，从气膜冷却特征流动的角度分析其冷却性能的国内外综合实验相对较少。研究对象方面，双射流气膜冷却孔，结合了传统圆孔和扇形孔的优点，具有低吹离损失并易于加工的独特优势。本项目针对圆孔、扇形孔、双射流孔开展实验研究和数值模拟，主要使用七孔探针测量孔下游二次流截面内的速度并解析二次流结构的同时，使用压力敏感漆测量下游平板气膜冷却效率分布，从机理的角度分析特征流动结构对气膜冷却效率的影响。同时，本项目针对多种构型双射流气膜孔的流动和传热特性开展深入研究，模拟了接近真实工况的燃气-冷却气密度比，并在此条件下进行了构型优选，证明了双射流孔相对传统孔型在气膜有效度及其横向均匀度方面的巨大优势，阐明了双射流气膜孔型广阔的应用前景。课题研究在双射流的相干机制及其对冷却性能影响提出了独到见解，首次提出了气膜有效度横向均匀度的概念，获得国外燃机研发单位的关注。项目成果对于燃机热端部件冷却的机理探寻和工程研究具有重大意义，可以检验新型冷却结构的性能及其数值模拟结果的可靠性，为设计提供理论支持。