渦輪葉片蒸汽-空氣冷卻特性的實(shí)驗(yàn)研究及數(shù)值模擬.pdf

1、隨著渦輪進(jìn)口溫度的不斷提升，對于渦輪葉片冷卻技術(shù)也提出了更高的要求。然而傳統(tǒng)的空氣冷卻技術(shù)需要從燃?xì)廨啓C(jī)的壓氣機(jī)中抽取高壓空氣用于其熱端部件的冷卻。隨著燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，需要的冷卻空氣會(huì)進(jìn)一步增加，這極大降低了壓氣機(jī)的效率也同時(shí)限制了燃?xì)廨啓C(jī)功率的提升。在此背景下，蒸汽冷卻技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生,并日益得到重視。
　　本文針對若干種渦輪葉片中常用的冷卻結(jié)構(gòu)（包括平行肋、V形肋、倒V形肋擾流冷卻結(jié)構(gòu)）分別開展了蒸汽和空氣冷卻的傳熱實(shí)驗(yàn)研

2、究，并對研究對象建立了三維數(shù)值模型，利用數(shù)值結(jié)果對比了兩種冷卻介質(zhì)冷卻下的流動(dòng)特征及壓力損失特性。在所有換熱結(jié)構(gòu)下蒸汽和空氣冷卻具有相近的努賽爾數(shù)分布特征，但蒸汽冷卻的傳熱性能明顯高于空氣冷卻。在相同雷諾數(shù)下，平行肋擾流結(jié)構(gòu)中蒸汽冷卻平均努賽爾數(shù)比空氣冷卻高約13％-24%；在V形肋和倒V形肋擾流結(jié)構(gòu)中，蒸汽冷卻比空氣冷卻平均努賽爾數(shù)高19%-28%；在消耗相同質(zhì)量流量時(shí)，蒸汽冷卻的優(yōu)勢進(jìn)一步提升。蒸汽和空氣兩種冷卻介質(zhì)在同一冷卻通道中

3、的流動(dòng)特征較為相近，造成強(qiáng)化換熱的流動(dòng)機(jī)理也基本一致。在相近雷諾數(shù)工況下，兩種冷卻介質(zhì)的壓力損失系數(shù)較為相近，而在消耗相同質(zhì)量流量冷卻介質(zhì)時(shí)，蒸汽冷卻的壓力損失低于空氣冷卻。這是由于蒸汽的動(dòng)力粘度較低，蒸汽流所產(chǎn)生的內(nèi)摩擦損失相對較小造成的。
　　利用燃?xì)廨啓C(jī)動(dòng)葉葉片搭建了高溫風(fēng)洞環(huán)形葉柵實(shí)驗(yàn)臺(tái)，分別測量了蒸汽和空氣冷卻下葉片外表面的溫度場分布，并就兩種冷卻介質(zhì)在實(shí)際渦輪葉片上的冷卻性能開展了對比研究。利用氣熱耦合數(shù)值模擬方法對該

4、葉片建立了數(shù)值模型，對比了兩種冷卻介質(zhì)冷卻的氣動(dòng)及壓損特性。此外還研究了涂層對于葉片熱防護(hù)的效果。結(jié)果表明：兩種冷卻介質(zhì)冷卻下，葉片涂層表面的冷卻效率分布特征十分相近，葉片金屬表面的冷效分布規(guī)律有所差異。在蒸汽冷卻時(shí)，涂層吸力面、涂層壓力面、葉片吸力面和葉片壓力面平均冷效分別比空氣冷卻提高了17.3%、23.9%、21.7%和25.5%。涂層可以起到十分明顯的熱防護(hù)效果，在蒸汽冷卻下，涂層起到的熱防護(hù)效果相比于空氣冷卻更為顯著。相對于空