涡轮叶栅表面弱化换热机理与气热复合反问题的研究

When the heat transfer flux on turbine cascade surface is reduced, the coolant flow rate can be also reduced. Therefore, gas turbine thermal performance is improved through the increases of shaft power and efficiency. Heat transfer between the gas and turbine cascade depends on the states of boundary layer flow. Especially important is the occurance and length of the transition. It is of theoritical importance in the design of advanced gas turbine technology to understand the correct dynamic mechanism of surface heat transfer and to solve inverse problem of hybrid aero-thermal model for active blocked heat transfer. . Based upon the theory of boundary layer stability, it is studied upon a curved nozzle model the effect of boundary layer transition on surface heat transfer. Correlation between heat flux and boundary layer parameters is analyzed. Upon a linear cascade, the effects of aero-profiling is investigated for the heat transfer on blade surfaces and endwalls to build allevated heat transfer model. . Based on the theory of field synergy, it is investigated for the hybrid inverse formulation of aero-flow and heat transfer for highly loaded turbine cascade. Syneritc function is proposed to combine flow velocities with temperature gradient. Nonfited boundary value problem of inverse multi-object problem is then resolved. Active control of cascade flow performance and heat transfer becomes available.

降低燃气涡轮叶栅的表面换热系数，可以减少涡轮叶栅的冷气用量，提高涡轮功率和效率，改善燃气轮机的性能。燃气与叶栅表面的换热特性取决于边界层流动状态，其转捩位置和转捩区长度的影响至关重要。正确认识叶栅表面换热的流体动力学机理，并建立流动与换热两者的复合反问题模型，主动弱化叶栅表面换热，对先进燃气轮机设计具有重要的理论意义。.基于边界层稳定性理论，在曲面喷管模型上，研究曲面边界层转捩过程对叶栅表面传热特性的影响，建立边界层状态参数与表面换热特征参数之间的关联。在平面叶栅上，研究叶栅气动造型对叶片型面和叶栅端壁换热特性的影响，建立叶栅表面的弱化换热模型。.基于"场协同"理论，研究建立高负荷燃气涡轮叶栅的气热复合反问题设计模型。通过构造流动与温度梯度场的"协同函数"，解决多目标反问题的边值问题不适定的难题，对涡轮叶栅气动性能与表面换热性能的复合设计，实现主动控制。

高温燃气涡轮部件冷却防护是保证涡轮安全和寿命的重要任务。燃气与叶栅表面的换热特性取决于叶栅壁面边界层流动状态。掌握叶栅表面换热的流体动力学机理，并建立流动与换热两者的复合反问题模型，主动弱化叶栅表面换热，降低燃气涡轮叶栅的表面换热系数，可以减少涡轮叶栅的冷气用量，对提高涡轮功率和效率具有重要的理论意义。.通过涡轮叶栅内部流动与传热的LES数值分析，建立涡轮叶栅表面传热系数与流动转捩的对应关系，确定叶片表面热负荷分布与流动的边界层状态一致性。流动的转捩点是表面热负荷由低到高转变的临界点，推迟吸力面的流动转捩是降低涡轮叶轮表面热负荷的主要途径。以流动转捩位置作为叶栅气热复合反问题的耦合机制并作为气热耦合优化的单一目标，解决了叶栅流动与传热多目标优化的困难，也是本项目研究成果的主要创新。.基于iSight优化平台和转捩流动计算模型，以及自行开发的若干参数化曲线和曲面造型软件，建立了叶片气动与传热的多目标优化设计平台。该平台采用了“梯次优化策略”，将气热复合反问题优化分解为两个层次，一个是叶栅参数的优化，如叶栅节距，叶片安装角的参数优化。第二个是叶型局部几何型线的参数优化，如调节叶型局部区域的型线曲率，提高叶型曲率的连续性，控制沿叶片表面的压力梯度。从计算结果看，叶栅参数的优化效果优于局部型线的优化效果。.以叶片安装角、前缘直径和吸力面型线的曲率分布作为控制叶片表面热负荷的三个核心参数，以叶片吸力面转捩位置作为目标函数，以叶栅气流角为约束，优化叶片表面传热量下降20%。研究叶片前缘和端壁3D造型与气动优化方法，实现对叶栅前缘边界层分离的推迟，削弱了“马蹄涡”湍动能，消弱叶栅流道内的通道涡，并降低由此引起的壁面二次流的强度，从而降低了叶栅端壁热负荷5%～10%。.本项目成果证明“弱化叶栅表面传热”的新思路是具有理论可行性和工程应用价值的。