弱い衝撃波による乱流促進を利用したガスタービン翼後縁部フィルム冷却総合性能の向上

通过弱冲击波促进湍流提高燃气轮机叶片后缘气膜冷却的整体性能

基本信息

批准号：
22K14419
负责人：
猪熊建登
金额：
$ 2.91万
依托单位：
Tokyo University of Agriculture and Technology
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
财政年份：
2022
资助国家：
日本
起止时间：
2022-04-01 至 2025-03-31
项目状态：
未结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-22K14419/
关键词：
ガスタービン翼伝熱促進衝撃波乱流フィルム冷却内部冷却

项目摘要

2022年度は、本研究の基盤装置である無隔膜衝撃波管を作製・性能評価し、これを現有の内部冷却流路装置（矩形断面をもつ流路）に組み込むことで、内部冷却/衝撃波干渉系を実験室で実現した。翼後縁部フィルム冷却に適用前に、衝撃波と干渉したチャネル流の基本的な熱伝達性能を、より簡単な系で調査することを目的とした。無隔膜衝撃波管は、複数の電磁弁からなる駆動弁を有し、駆動部に電空レギュレータを設置して駆動部圧力を一定に自動制御できるようにした。この状態で駆動弁にワンボードマイコンからのON/OFF信号を入れることで、駆動弁を自動開閉できるようにし、衝撃波の繰り返し放出（2 Hz程度）を可能にした。内部冷却流路内に熱線流速計を設置して主流方向流速を計測したところ、衝撃波付与によって乱流強度（主流方向流速rms値と主流方向平均流速の比）が5.3%から8.9%まで増加し、衝撃波による乱流促進効果を得た。内部冷却流路内にティアドロップ型のディンプルを敷設した伝熱面を取り付け、衝撃波を繰り返し付与した際の伝熱性能を、過渡応答法による伝熱実験により調査した。ティアドロップディンプルの傾斜角度（0、30、60 deg）と配列（in-line/staggered）を変化させて上記実験を行った結果、60deg傾斜・in-line配列のとき最もヌセルト数が高く、伝熱面平均ヌセルト数が衝撃波付与なしに比べて14%向上した。差圧計を用いて伝熱面上流と下流の圧力損失を計測して摩擦係数を算出したところ、衝撃波付与なしに比べて6.7%増加した。圧力損失を考慮した熱伝達性能の指標である伝熱性能係数を算出したところ、衝撃波付与なしに比べて12%増加し、衝撃波によるチャネル流の伝熱促進に成功した。

2022财年，我们将制作本研究的基本装置无隔膜冲击波管并对其性能进行评估，并将其纳入现有的内部冷却通道装置（具有矩形横截面的通道）中，以创建内部冷却通道装置。在实验室实现了冷却/冲击波干涉系统。本研究的目的是在将其应用于后缘气膜冷却之前，使用更简单的系统研究通道流干扰冲击波的基本传热性能。无隔膜冲击波管有一个由多个电磁阀组成的驱动阀，驱动段内装有电动气动调节器，可自动控制驱动段压力恒定。在这种状态下，通过从单板微机向驱动阀发送ON/OFF信号，驱动阀可以自动打开和关闭，从而可以重复发射冲击波（约2Hz）。当内部冷却通道安装热线风速计测量主流方向流速时，湍流强度（主流方向流速均方根值与主流方向平均流速之比）增加由于冲击波的应用，从5.3%到8.9%，获得了冲击波促进湍流的效果。在内部冷却通道中安装带有泪滴状凹坑的传热表面，并利用瞬态响应方法进行传热实验，研究反复施加冲击波时的传热性能。通过改变泪滴凹坑的倾角（0、30、60°）和排列方式（直列/交错）进行上述实验，我们发现当倾角为60°，与没有施加冲击波的情况相比，热表面上的平均努塞尔数提高了14%。当我们使用差压计测量传热表面上游和下游的压力损失来计算摩擦系数时，我们发现与没有施加冲击波时相比，摩擦系数增加了6.7%。当我们计算传热性能系数（考虑压力损失的传热性能指标）时，它比没有冲击波的情况增加了12%，这表明冲击波成功地促进了通道流动中的传热。