层板导叶端壁冷却特性的实验研究.doc

层板导叶端壁冷却特性的实验研究随着燃气轮机性能的改进,涡轮的进口温度不断提高,严酷的热环境给涡轮零部件带来了巨大的热负荷,特别是第一级导向叶栅的端壁。由于其直接暴露在恶劣的高温环境中,同时受到燃烧室出口燃气的直接冲刷,因此为了保证涡轮叶片安全可靠地工作,发展先进的端壁冷却技术变得至关重要。在端壁燃气侧布置离散的气膜孔是最常用的端壁冷却方式。然而,受到复杂的通道三维流动的影响,端壁表面始终存在着单纯的气膜冷却很难触及的死角。层板结构作为一种更高效的冷却方式,集冲击、扰流、气膜、导热冷却于一体,拥有燃气侧和背侧双重冷却的功能,因此值得在叶栅端壁冷却设计中应用,有望起到局部增强传热、节省冷气消耗、消除冷却死角、起到端壁表面温度分布更加均匀的作用。本文在高温风洞实验平台中,以接近涡轮工况下气膜冷却的真实温度比环境,利用红外热像技术,通过有限厚度固体导热方程,计算了端壁表面传热系数,研究并对比了不同主冷流温度比和流动条件下的层板端壁和传统气膜冷却端壁的冷却特性,并根据实验结果,对层板端壁进行了进一步的优化设计。本文主要研究内容可分为三个部分:第一,设计了具有与单纯气膜冷却端壁相同厚度和气膜孔布局的层板端壁,研究了具有复杂三维流动的叶栅层板端壁的传热和冷却特性,并与单纯气膜冷却端壁的冷却特性进行了比较。比较发现:层板端壁可以显著降低端壁表面温度,并且端壁表面温度分布更加均匀,这为端壁冷却设计提供了一种新的方案。第二,研究了主流湍流度对层板端壁冷却特性的影响,发现湍流度的提高会导致层板端壁综合冷却效率和表面温度分布的均匀性降低。虽然湍流度的提高对层板端壁的冷却效果有着不利影响,但是相比单纯的气膜冷却端壁,层板端壁仍然展现出了明显优势:不但能够提高综合冷却效率,而且可以降低端壁温度梯度,获得更均匀的表面温度分布。第三,针对层板端壁存在的局部难冷区域,本文基于耦合传热下端壁表面温度分布,通过调整局部高温区域的气膜孔布局和对应的层板内部单元布局,设计了一种新的层板端壁。这种改进的层板端壁对降低端壁结构温度和温度梯度,能够有效地延长端壁在高温环境下的使用寿命。