基于耦合换热的新型气膜孔优化设计及模化实验验证

Film cooling is the most important cooling method for current gas turbine blades, and is also one of key technologies to increase the turbine inlet temperature. The cooling performance is worse under high blowing ratios for most of existing film cooling holes, and is not reasonably evaluated according to the current assessment parameter. To resolve the problems mentioned above, a novel film cooling hole with higher cooling performance will be proposed. The influence of solid heat conduction on film cooling performance will be revealed. A more reasonable assessment parameter of cooling performance will be found in consideration of conjugate heat transfer. The optimal hole shape configuration will be obtained. The main similarity criterions of conjugate film cooling will be determined in order to reduce experiment cost and difficulty. The conjugate film cooling modeling experiment will be carried out to validate the optimal cooling hole under near normal temperature and pressure condition. The present study will enrich the research method, widen the design idea of film cooling hole, and establish the foundation for developing more effective film cooling holes in the future.

气膜冷却是当前涡轮叶片冷却最主要的冷却方式，是提升涡轮进口温度的关键技术之一。本项目针对目前气膜冷却孔大多在高吹风比下冷却效率偏低、冷却性能评价不全面的问题，拟发展新型高效气膜孔，揭示固体导热对气膜冷却性能的影响机理，建立更为合理的基于耦合换热的气膜冷却性能评价准则，寻求孔型结构最优化。确定气膜冷却耦合换热主要相似准则数，降低耦合换热实验难度和节约成本，开展准常温、准常压下的气膜冷却耦合换热模化实验，如实反映气膜冷却性能，验证优化孔型结构的先进性。本项目研究成果将丰富气膜冷却研究方法、拓宽气膜冷却孔型设计思路，为今后发展更加高效的气膜冷却孔型奠定基础。

气膜冷却是先进燃气轮机涡轮叶片最主要的冷却方式，是提升涡轮进口温度的关键技术之一。多年以来，最大限度提高气膜冷却性能一直是国内外研究的首要目标。达到这一目标的主要方法是发展高效孔型，但实际应用于涡轮叶片的孔型仅有圆柱孔和扇形孔两种。目前提高涡轮进口温度的需求仍很强烈，因此，应当突破以往气膜冷却研究方法的局限，发展基于耦合换热环境下的高效冷却孔型。.本项目以新型凹坑孔平板气膜冷却为研究对象，阐明了凹坑气膜孔提高冷却效率的流动机理，即通过凹坑孔的展向扩张和圆弧形凸台的阻挡作用，对冷气进行了重新分配，使得冷气在孔出口处沿展向速度增大，圆弧形凸台与冷气的相互产生反肾形涡对，从而增强冷气的贴附壁面能力和沿展向的覆盖能力。以凹坑孔的流向长度、展向宽度、下沉深度、圆弧形凸台形状等为优化变量，结合神经网络、遗传算法进行多变量优化，得到了典型气膜孔布置条件下不同吹风比的优化孔型，有效克服了大部分孔型在高吹风比下冷却效率偏低的缺点，如在高吹风比M=1.5下优化孔型在孔下游30倍孔径范围内的面积平均综合冷效达到0.747。为保证在准常温、准常压条件下所开展气膜冷却耦合换热实验结果能够如实反映真实工况的冷却性能，通过理论分析确定了平板无气膜、有气膜冷却耦合换热模化的主要相似准则数，提出了模化工况主流进口、冷气进口参数及导热系数的计算流程，初步验证结果表明经过降温减压处理后模化工况下孔下游的面积平均综合冷效与真实工况下的偏差约为0.015。本项目的特色之处在于丰富了气膜冷却耦合换热研究方法，拓宽了高效气膜冷却孔型设计思路。