透平導葉相變冷卻換熱機理及性能研究.pdf

1、燃氣輪機采用傳統(tǒng)空氣冷卻實現(xiàn)透平初溫需求是以消耗大量冷卻空氣和高度復雜的冷卻結(jié)構(gòu)為代價的，這不僅會導致整個系統(tǒng)的效率降低，而且使高溫葉片的制造成本提高。閉式蒸汽冷卻可以滿足透平葉片的冷卻需求，冷卻結(jié)構(gòu)得以簡化，而且避免了摻混損失，但其面臨著蒸汽消耗量大和冷卻系統(tǒng)復雜的缺點。水霧/空氣相變冷卻可以提供一個解決上述問題的途徑，該冷卻方式是通過霧滴的相變潛熱吸收、霧滴和水蒸汽的大比熱吸熱、霧滴和冷卻壁面的直接接觸導熱以及霧滴和邊界層作用來改善

2、冷卻空氣換熱能力的一項分布式冷卻技術(shù)，將水霧/空氣相變冷卻應用于透平葉片冷卻的目的是在保證冷卻效果的前提下降低冷卻空氣量，同時簡化高溫透平葉片的冷卻結(jié)構(gòu)。
　　本文采用歐拉-拉格朗日顆粒追蹤方法對水霧/空氣相變冷卻進行數(shù)值研究，并通過修正模型與商用軟件的嵌套考慮了霧滴的二次破碎、霧滴之間的碰撞和霧滴與壁面之間的相互作用。水霧/空氣相變冷卻透平葉柵的三維流動氣熱耦合力學模型是一個組合流體動力學問題，包含氣熱、氣彈、熱對流與熱傳導以及

3、工質(zhì)的相變等問題，其強化換熱機理和顆粒動力學特性極為復雜，在此利用現(xiàn)有的實驗數(shù)據(jù)對數(shù)值計算采用的多相流模型進行了校核。
　　基于傳熱傳質(zhì)的經(jīng)典理論，以單個霧滴為研究對象，建立熱質(zhì)傳遞過程的數(shù)學模型，給出了平衡及非平衡條件下霧滴的蒸發(fā)速率、存在時間及運動距離的理論計算模型，研究了霧滴初始直徑、空氣壓力及溫度和滑移速度對霧滴蒸發(fā)過程中直徑和速度變化的影響，并從單個霧滴的能量守恒方程出發(fā)，應用有效薄膜理論分析了添加水霧的相變冷卻引起干空

4、氣預冷效果的機理。
　　為了尋求更好的透平導葉前緣內(nèi)部冷卻結(jié)構(gòu)，對透平高溫葉片前緣內(nèi)部沖擊和旋流相變冷卻的流動換熱機理進行了深入研究，探索了沖擊和旋流相變冷卻的渦流結(jié)構(gòu)、換熱強度、流動阻力和熱均勻性，同時對葉片前緣內(nèi)部沖擊和旋流相變冷卻進行了對比研究。結(jié)果顯示，旋流結(jié)構(gòu)所形成的渦系有利于換熱的增強和熱均勻性的提高，當加濕量為8％時，旋流冷卻的換熱性能較沖擊冷卻增強了16%，而其壓力損失系數(shù)是沖擊冷卻的68%，同時旋流冷卻的換熱系數(shù)

5、不均勻度比沖擊冷卻低15%左右。
　　通過對帶有前緣氣膜冷卻和多排氣膜冷卻的水霧/空氣相變冷卻的研究，探索了水霧/空氣相變氣膜冷卻的換熱機理。研究了水霧加濕量、霧滴直徑、霧滴顆粒的受力、壁面邊界條件和霧滴噴射位置對換熱特征的影響。結(jié)果顯示，增加水霧加濕量可以降低葉片表面的溫度和換熱系數(shù)，并可以提高葉片表面的絕熱氣膜冷卻有效度，而且壓力面噴霧的強化效果要優(yōu)于吸力面。分布式的相變冷卻技術(shù)可以通過控制噴入霧滴的尺寸來實現(xiàn)各個位置不同程度

6、的冷卻，而且水霧/空氣相變冷卻只降低邊界層的溫度而對邊界層的厚度及邊界層外主流流體的溫度沒有影響。
　　在之前研究的沖擊、旋流和氣膜相變冷卻技術(shù)的基礎上，將相變冷卻技術(shù)應用到實際某重型燃氣輪機透平導向葉片的冷卻系統(tǒng)中，分別研究了氣膜-強化肋-尾緣劈縫復合結(jié)構(gòu)、沖擊-氣膜-強化肋-尾緣劈縫復合結(jié)構(gòu)和旋流-沖擊-氣膜-強化肋-尾緣劈縫復合結(jié)構(gòu)耦合水霧/空氣相變冷卻后的冷卻性能。結(jié)果顯示，將沖擊及旋流冷卻結(jié)構(gòu)納入到導向葉片的冷卻系統(tǒng)后，