透平叶栅环境下强掺混气膜冷却流动传热机理研究

Gas turbine is the core power equipment for efficient and clean conversion of energy. Film cooling as one of the key methods with the increasing of the initial temperature in modern gas turbine, is of great significance in ensuring efficiency and safty of gas turbine. With the development of the turbine toward the high efficiency and high load, the interaction of the cooling jet and the blade curvature, mainstream pressure gradient, three-dimensional vortex structure in the air-cooled turbine becomes more intensive. It is applied to be studied in the project by combining the theoretical modeling, experimental and numerical analysis. Based on the curved film cooling plate test rig and the high sub-subsonic velocity air-cooled turbine cascade test rig, it is aimed to build up an aerothermodynamic experiment database of film cooling under complex environment;to develop a high accuracy anisotropic turbulence model for 3D air-cooled turbine, to reveal the interaction mechanism of the cooling jet and the main flow in turbine environment; to study the momentum loss mechanism caused by the strong mixing in the air-cooled turbine; to reveal the flow and heat transfer coupling mechanism in air-cooled turbine and develop a film cooling homogenization methods. So as to lay a solid foundation for the development of air-cooled turbine optimization method and system of efficient and clean gas turbine.

燃气轮机是能源高效转化与洁净利用的核心动力装备。高效的气膜冷却是当代燃气轮机提升燃气初温从而提高效率的重要途径之一。随着燃机透平叶栅向着高效高负荷发展，气冷透平中气膜冷却射流与叶片曲率、主流压力梯度和主流三维涡系结构之间具有愈来愈强烈的相干性。拟申请的课题将以实验研究为主，有机结合理论分析和数值方法研究，依托曲率通道气膜冷却实验台和高亚音速气冷叶栅实验台，建立气冷透平叶栅环境下的气膜冷却流动传热数据库，发展适于三维气冷透平的高精度各向异性数值模拟方法，掌握透平叶栅中主流与冷却射流的强掺混机制和交互作用机理，掌握强掺混引起的气冷透平动量损失机制，揭示气冷透平中气动传热耦合机理，发展气冷透平中气膜冷却均匀化的方法。从而为发展高效清洁燃气轮机气冷透平的优化方法和体系打下扎实基础。

燃气轮机是能源高效转化与洁净利用的核心动力装备。高效的气膜冷却是当代燃气轮机提升燃气初温从而提高效率的重要途径之一。随着燃机透平叶栅向着高效高负荷发展，气冷透平中气膜冷却射流与叶片曲率、主流压力梯度和主流三维涡系结构之间具有愈来愈强烈的相干性。本课题以气冷透平中主流流动与气膜冷却射流的交互作用为着眼点，以气冷透平内强掺混的三维流动传热场为研究对象，通过有机结合实验、数值和理论分析等研究手段，圆满完成了透平复杂环境下强掺混气膜冷却的流动传热特性研究：.搭建了曲率及压力梯度气膜冷却实验台，建立了透平环境下气膜冷却流动传热基础数据库：气膜冷却气动特性数据库，气膜冷却传热特性数据库，透平环境下复合角气膜冷却特性数据库和扇形孔气膜冷却特性的数据库；深入分析了不同曲率/压力梯度条件下气膜冷却射流中肾型涡的变形和衰减规律、冷却射流与主流的掺混规律以及其在主流中“抬升现象”的变化机制；基于实验数据库发展了透平叶栅中气膜冷却有效度的修正方法；依托高亚音速气冷叶栅实验台，研究了不同吹风比下的叶栅气膜冷却流动传热特性；基于端壁冷却机理实验研究了透平静叶端壁区域的气膜冷却特性及其与透平流动掺混特性；基于气冷透平端壁气热耦合实验研究了气冷透平气热耦合特性，探索了气冷透平中气膜冷却均匀化的方法；发展并验证了三维气冷透平强掺混流场的高精度各向异性数值模拟方法。.本课题按照课题申请要求圆满充分地完成了研究内容，为发展清洁高效燃气轮机气冷透平的优化方法和体系打下扎实基础。提出的曲率及压力梯度气膜冷却有效度修正方法预测精度高，适用性好，稳定性好，应用简便，在透平气膜冷却初步设计中有较大的实际使用价值；掌握的透平冷却掺混特性及气冷透平气热耦合特性及均匀化方法，可用于指导透平冷却设计；发展的三维气冷透平的高精度各向异性数值模型，在不增加计算量的前提下提高了数值预测精度，在透平冷却设计中有重要的实用价值。