基于燃气轮机透平导叶内部对流冷却的蒸汽脉动流冷却技术研究

The cooling design of the hot end components is a key Technology in the gas turbine design. The most effective way to protect the vane form the high temperature is to use efficient cooling technology. It has been proved that, the steam cooling has high cooling effectiveness than the air cooling, by about 10%. But the steam cooling has brought high temperature gradient and thermal stresses. At this situation, the steam pulsating flow is selected as coolant to replace the steady steam flow. The steam pulsating flow has more complicated heat and mass transfer characteristics and better cooling performance than the steady steam flow. But it will cause the transverse vibration problem. In this study, the flow-heat-structure multi-field coupling analysis system for the steam pulsating flow in the cooling paths with ribs is set up. The heat transfer enhancement mechanism of the pulsating steam flow is studied. The influence of the parameters of the steam flow, as well as the ribs on the cooling effectiveness is studied. And the synergic relationship between the flow characteristic, the cooling effectiveness and dynamic characteristics of the cooling duct is built. Finally, on the premise of keeping the working vane safe, a new method of using steam pulsating flow to enhance the cooling effectiveness and reduce the temperature gradient is established.

热端部件的冷却设计是高温涡轮研制的关键技术之一，先进的冷却技术是解决涡轮叶片热防护问题的最有效手段。研究已经证明采用闭式蒸汽冷却比空气冷却的效率提高了10%，但蒸汽冷却存在着被冷却壁面温度分布不均匀，热应力较大的问题。在这种背景下，本课题提出了一种采用脉动蒸汽流取代稳态蒸汽流作为叶片内部对流冷却工质的新方法。脉动蒸汽流由于其复杂的流动特性使得壁面对流换热系数整体得到提高，相比于稳态蒸汽流具有更强的换热能力，但同时也会引起叶片的横向振动等问题。本研究将基于复杂带肋单通道模型，建立脉动蒸汽流冷却下的流体-热-结构多场耦合分析系统，展开对蒸汽脉动流的强化换热机理分析，研究蒸汽脉动流的进口参数与肋片几何参数等对通道内流动特性、冷却效率以及动力学特性的影响，并建立这三者之间的关联关系。试图建立一种在保证叶片安全可靠运行的基础上，利用脉动蒸汽流冷却大幅提高冷却效率，降低壁面温度梯度的新冷却方法。

燃气轮机的叶片持续工作在远高于叶片金属材料熔点的温度下（1200K），因此非常有必要对叶片进行有效的冷却。在叶片的中弦区域常用的冷却方法是内部对流冷却，即在叶片中部做许多中空的冷却通道，冷却介质从通道中流过的过程中带走叶片中部大部分热量。为了提高内冷通道的冷却效率，通常这些冷却通道内壁面上布置有扰流肋片。扰流肋片引导涡的形成并强化换热，且加大了与冷却介质的接触面的面积；蒸汽流较空气有更高的比热具有优化换热效果；脉动的引入增大流动的湍流度以及弱化边界层的效应强化换热等等的优势对研究燃气轮机的叶片内冷具有重要的指导意义。. 为了研究提高内冷通道换热效率的机理，建立了叶片内冷通道的简化模型，对该模型进行了数值模拟和实验研究，主要进行脉动蒸汽流（正弦流，方波流和三角波流）为冷却介质的强化换热研究，包括脉动频率，幅值，雷诺数对换热的影响，同时与稳态及脉动空气流和水等各种介质和流态下的换热进行了对比分析，另外还研究了通道的不同几何通道，包括不同肋片间距和通道宽高比下通道内的流动和换热，综合分析脉动蒸汽流强化换热的机理。. 研究结果表明：与稳态结果类似，脉动流冷却下的时均努塞尔数随着雷诺数的增加而增加，并且相同雷诺数下脉动蒸汽的努塞尔数高于脉动空气，蒸汽换热效果较空气平均提升约38%。肋片间的流线分布基本一致，形成漩涡的位置也基本一致，与流动是稳态还是瞬态无关，流线分布与进口流型无关，而受通道的几何形状影响较大。涡核强度也影响着换热结果。密度越高，换热效果越好。脉动流是否比稳态流具有更高的换热也受通道的宽高比等几何形状的影响，尤其是宽高比。当宽高比W/H=1时，尽管脉动流的换热比稳态流低，但是由于脉动流的摩擦系数和压强更低，因此使得相同泵功下，脉动流的换热高于稳态流。. 最后基于数值模拟研究设计并搭建了实验台，以便后续进行实验研究，验证数值计算结果。