涡轮动叶内外流场畸变对气膜冷却流动传热的影响机理研究

Film cooling is essential for the gas turbine blades under high thermal load. Its heat transferring, mixing and dissipation properties directly relate to the life expectancy and cycle efficiency of gas turbine engines. It is necessary to study the flow/heat transfer mechanism of film cooling at various flow conditions (blowing ratio, density ratio, etc.) and with different geometries (shape and direction of holes, arrangements) in turbine cascades. The proposed study is focused on the mechanism of film cooling performance variation introduced by flow-field distortion in rotor blades. The influences of near-wall flow characteristics, nonuniformity of film cooling outflow, and velocity distortion inside film holes on the flow structure, temperature transportation, and dissipation process are to be studied utilizing experiments with visualized measurements (PIV, PSP, TLC) and numerical simulations (RANS/URANS). These film cooling properties and mechanism in realistic rotor cascades shall be compared with those in flat plates/2D cascades and analyzed, in order to explore the possible approaches to reduce the mixing loss and/or to improve the cooling performance. It is expected that the proposed study should give theoretical guidance to the design/optimization of film cooling structures on rotor blades.

气膜冷却是燃机涡轮高热负荷叶片设计的关键问题，其传热特性/掺混耗散规律与部件寿命/循环效率密切相关。因此，研究并归纳叶栅环境下流动（吹风比、密度比等）与几何（孔型、方向角、布置方式等）参数对气膜冷却的流动传热的影响机理是必要的。本项申请将围绕涡轮动叶片内/外流场的畸变对气膜冷却的影响机理开展工作；拟综合利用PIV、压力敏感漆、测温液晶等可视化实验技术与三维数值方法，研究扭曲动叶片的复杂近壁流动特征、气膜出流不均匀与孔管内流场畸变等因素影响气膜流场结构、温度输运、以及耗散规律的作用机理，归纳其与平板/平面叶栅中作用机制的异同，探索并验证动叶栅中降低气膜掺混损失与改善气膜覆盖效果的可能途径；研究成果将为精细化的涡轮动叶气动-气膜冷却设计优化提供理论指导。

气膜冷却是燃机涡轮高热负荷叶片设计的关键问题，其传热特性/掺混耗散规律与部件寿命/循环效率密切相关。因此，研究并归纳叶栅环境下流动与几何（孔型、方向角、布置方式等）参数对气膜冷却的流动传热的影响机理是必要的。本研究围绕涡轮动叶片内/外流场的畸变对气膜冷却的影响机理开展工作，研究了扭曲动叶片的复杂近壁流动特征、气膜出流不均匀等因素影响气膜流场结构、温度输运、以及气动损失的作用机制，为精细化的涡轮动叶气动-气膜冷却设计优化提供理论指导。.在叶片旋转且气膜孔长度展向变化的条件下，单排气膜孔的冷效与平板与直叶片有显著的差异。以某实际涡轮的扭叶片为对象，通过对270多组不同气膜冷却几何与流动参数组合的三维定常CFD计算结果的分析表明，冷却空气质量流量是考虑冷却空气掺混的气动效率φ的决定性因素。对于近前缘的气膜孔，复合角位-60°时能在各种冷却空气质量流量下产生更高且更均匀的膜冷却效果分布。并且可以抑制前缘附近的分离，改善动叶压力侧附近的局部冷却。对于下游气膜孔，60°和-60°的复合角提供了优于其他角度冷却性能。复合角为-30°的气膜孔的冷却特性更容易受到冷却空气质量流量和喷射位置的影响，这主要是由于冷却空气喷射的吹离和重新附着。.当动叶处于涡轮级的非定常流动环境中时，静叶的冷却空气与静叶导致的来流周向流动不均匀是动叶外部热负荷与气膜冷却性能的最主要影响因素。本研究对典型涡轮级环境下的动叶气膜冷却特性开展了三维时域变换非定常仿真研究。对动叶的涡轮静叶片表面气膜冷却以及尾缘冷却排出的冷却流体，随着主流流向下游的迁移，在上下端壁处对下游动叶片温度分布产生直接影响，作用区域主要集中在动叶片的叶根与叶顶；对于叶片中部气膜冷却强度较高的区域，迁移冷气则通过改变相应的主流的气动参数影响动叶片表面的气膜冷却出流的分布，导致气膜孔流量出现波动，进而对动叶片表面的气膜冷却效率分布产生较大影响。

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