基于PDA流场和TLC温度测试的船用燃机交错肋内部冷却通道流动换热机理

批准号:
51509052
项目类别:
青年科学基金项目
资助金额:
20.0 万元
负责人:
栾一刚
依托单位:
学科分类:
E1102.船舶工程
结题年份:
2018
批准年份:
2015
项目状态:
已结题
项目参与者:
王松、曲永磊、卜诗、万博、岳亮、张文斌、柳焕楠
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中文摘要
目前先进燃气轮机的燃气温度达到1500℃以上,远超涡轮叶片材料所承受温度极限,需要通过涡轮叶片冷却技术来保证燃气轮机运行及使用寿命,高效冷却已成为制约燃气轮机性能的关键技术。交错肋冷却结构具有强化换热能力强,表面换热系数分布均匀,叶片强度高等优点,已成为船用燃气轮机中常用的涡轮叶片内部冷却形式。本课题以船用燃气轮机涡轮叶片交错肋内部冷却结构为研究对象,基于内部流动换热机理实验台,结合瞬态液晶测温技术、三维PDA流场细节测试技术以及CFD仿真分析技术,研究不同雷诺数条件下,交错肋结构内流体冲击、流体横向漩涡与换热能力的交互作用,揭示其强化换热机理。同时,基于量纲分析理论,选取交错肋冷却结构的典型特征因素,利用正交试验设计方法设计计算方案,结合高阶响应曲面方法,建立交错肋流动换热特性与几何因素变化的定量关系式。为发展具有我国自主知识产权的先进舰用燃气轮机涡轮叶片内冷技术奠定理论基础。
英文摘要
Currently, advanced gas turbines operate at high temperature of 1500 ℃ or higher, which has far exceeded the limit temperature of turbine blade materials. In order to ensure the operation and service life of gas turbine, turbine blades should be cooled effectively, and cooling technology has been one of key technologies of gas turbines. With the advantages of good heat transfer enhancement capability, uniform surface heat transfer coefficient and good blade strength, matrix cooling channels are commonly used as internal cooling structure in marine gas turbines. Flow field and heat transfer characteristics inside matrix cooling channels will be studied in this project. Based on internal flow and heat transfer mechanism experimental apparatus, heat transfer distribution on primary surface will be measured using transient liquid crystal method. And flow field inside matrix cooling channels is obtained by three-dimentional Particle Dynamic Analyzer(PDA). With Computational Fluid Dynamics (CFD) simulation analysis method, interaction of complex flow field fluid (such as impingement and transverse vortexes) and heat transfer capability inside matrix cooling channels will be studied under different Reynolds numbers. And enhanced heat transfer mechanism of internal flow inside matrix cooling channels is revealed. Meanwhile,based on dimensional analysis theory, typical factors will be selected to characterize matrix cooling geometry. Orthogonal experimental design method will be employed to build computing schemes. With the help of higher-order response surface design methods, quantitative relationship between flow heat transfer characteristics and geometry factors of matrix cooling channels will be established. The ultimate goal of the research is to establish a theory foundation for the development of China's modern marine turbines' internal cooling technology with our own independent intellectual property.
先进燃气轮机的燃气温度达到1500℃以上,远超涡轮叶片材料所承受温度极限,需要通过涡轮叶片冷却技术来保证燃气轮机运行及使用寿命,高效冷却已成为制约燃气轮机性能的关键技术。交错肋冷却结构具有强化换热能力强,表面换热系数分布均匀,叶片强度高等优点,已成为船用燃气轮机中常用的涡轮叶片内部冷却形式。本项目已交错肋冷却结构为研究对象,开展了广泛深入的基础研究工作。通过实验研究和数值模拟,对交错肋通道的传热分布、流场结构和强化传热机理作细致的分析,进行大量的变几何研究并作结构优化。采用经实验数据校核的数值方法对交错肋通道进行多工况流动传热计算,分析气膜抽吸和侧向出流等因素对内部冷却的影响。综合采用风洞实验和数值模拟将交错肋和柱肋作全面的对比分析,考核评价两者的性能优劣,通过将交错肋和柱肋混合使用,大幅提高通道的冷却性能。主要研究有:基于瞬态热敏液晶的测量原理,设计搭建了用于内部冷却机理研究的小型风洞实验台,专门设计搭建了用于液晶标定的实验台架,通过标定工作获得了液晶的色调-温度对应关系用于风洞传热实验;制作了典型交错肋通道模型,测量了多工况下的通道总压损失和传热分布,考核多种不同的湍流模型,基于雷诺平均的湍流模型中,SST模型性能最佳。通过基于大涡模拟获得的流场,发现交错肋中的主要流动结构是由侧壁折角引起的大尺度纵向涡,这一纵向涡通过改变速度矢量与温度梯度矢量间的协同角强化了对流传热;针对肋倾角、阻塞率和通道密度三种结构参数对交错肋进行变几何研究,发现肋倾角的影响最为显著,阻塞率和通道密度的影响相对较弱;针对带侧向出流的交错肋结构进行数值模拟,发现侧向出流可以增强出流孔附近的掺混,使子通道内的流动加速,从而强化传热;通过本项目的研究,获得了大量的关于交错肋的换热能力及流动损失的基础实验数据,可为交错肋冷却结构在舰用燃气轮机冷却叶片中的应用提供技术支撑。
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专利列表
DOI:https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2018.03.031
发表时间:2018
期刊:Applied Thermal Engineering
影响因子:--
作者:Haiou Sun;Tao Sun;Lianfeng Yang;Shi Bu;Yigang Luan
通讯作者:Yigang Luan
DOI:https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2018.12.043
发表时间:2019
期刊:International Journal of Heat and Mass Transfer
影响因子:--
作者:Yigang Luan;Lianfeng Yang;Shi Bu;Tao Sun;Haiou Sun;Pietro Zunino
通讯作者:Pietro Zunino
Effect of connecting holes on flow and heat transfer in a two-pass channel with and without rib turbulators
连接孔对带有和不带有肋状紊流器的双通道通道中流动和传热的影响
DOI:10.1016/j.ijheatmasstransfer.2018.12.043
发表时间:2019-04
期刊:International Journal of Heat and Mass Transfer
影响因子:5.2
作者:Yigang Luan;Lianfeng Yang;Shi Bu;Tao Sun;Haiou Sun;Pietro Zunino
通讯作者:Pietro Zunino
Effect of bleed hole on internal flow and heat transfer in matrix cooling channel
排气孔对基体冷却通道内部流动和传热的影响
DOI:10.1016/j.applthermaleng.2018.03.031
发表时间:2018-05
期刊:Applied Thermal Engineering
影响因子:6.4
作者:Haiou Sun;Tao Sun;Lianfeng Yang;Shi Bu;Yigang Luan
通讯作者:Yigang Luan
Effect of sidewall slots and pin fins on the performance of latticework cooling channel for turbine blades
侧壁槽和针翅对涡轮叶片网格冷却通道性能的影响
DOI:10.1016/j.applthermaleng.2017.01.110
发表时间:2017-05
期刊:Applied Thermal Engineering
影响因子:6.4
作者:Bu Shi;Yang Lianfeng;Qiu Hanghai;Luan Yigang;Sun Haiou
通讯作者:Sun Haiou
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