燃机透平冷却耦合传热特性及多因素影响机理研究

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1、燃机透平冷却耦合传热特性及多因素影响机理研究(申请清华大学工学博士学位论文)培养单位：热能工程系学科：动力工程及工程热物理研究生：李明飞指导教师：蒋洪德教授二○一五年四月ResearchontheConjugateHeatTransferCharacteristicsandMulti-parameterInfluenceMechanismofGasTurbineCoolingDissertationSubmittedtoTsinghuaUniversityinpartialfulfillmentoftherequirementforthedegreeofDoct

2、orofPhilosophyinPowerEngineeringandEngineeringThermophysicsbyLiMingfeiDissertationSupervisor:ProfessorJiangHongdeApril,2015摘要摘要燃气轮机作为一种高效清洁的动力装备，随着其热效率的不断提升，透平进口温度持续升高；冷却技术成为先进透平设计的关键之一。现代先进的透平冷却结构趋于复杂化、多样化，综合冷却效果是各冷却部件和多种传热方式共同作用的结果。随着透平冷却技术探索的深入，反映综合因素影响的耦合传热特征，逐渐成为冷却传热研究的重点。本文首先以端

3、壁冷却机理实验台为基础完成了多参数的流动传热测量，建立了端壁冷却从流动到传热，从绝热到耦合的全面且详实的实验数据库。对实验结果的分析表明，综合冷却效率和绝热气膜效率都会随着冷气流量的提升而明显增高。比较综合冷却效率和绝热气膜效率可以发现，由于内部冷却对流及固体导热的作用，综合冷却效率分布更为均匀，气膜冷却主要影响近气膜孔区域的综合冷效分布。为分析耦合传热下综合冷却效率的多因素影响机理，本文构建了能分离各局部冷却参数影响的一维耦合传热模型；其适用性在与实验结果的比对中得到了验证。借助模型分析表明，各冷却参数中，绝热气膜效率、内部换热系数、热障涂层毕渥数与综合冷却效

4、率正相关，冷气温升系数、金属毕渥数与综合冷却效率负相关；热障涂层的存在会同时削弱内部和外部冷却参数的敏感性；通过对综合冷却效率等值线图的分析，可以进一步得到各参数更细节的影响特征结论。比较无量纲参数相同的高-低温工况实验结果，主流高温使得综合冷却效率偏低；根据所发展的温度修正预测方法，能够对温度的影响进行修正。在高温高湿环境中，辐射作用增强，将对透平冷却传热产生影响。对辐射因素影响的实验及数值研究表明，由于水蒸气介质辐射的作用，随着主流高温燃气中水蒸气体积分数每增加7%，平板综合冷却效率降低约0.02；热障涂层在各组分工况下都有明显的温降效果，且燃气的水蒸汽含量

5、越高，温降效果越明显。由于辐射在高温高湿工况下的综合作用，在透平冷却设计中必须综合考虑不同燃气组分在导热/对流/辐射耦合传热下的影响。本文以多工况变参数流动传热测量为基础，发展了相关数值模拟方法及理论模型，分析了包括各冷却部件、不同温度工况及辐射等多因素在耦合传热下的影响作用，揭示了透平冷却耦合传热机理。关键词：燃气轮机；透平冷却；端壁；耦合传热；辐射传热IAbstractAbstractGasturbineisacleanandefficiencypowerequipment.Asthecontinuousimprovementofthethermaleffi

6、ciency,theturbineinlettemperatureisincreasinglyhigherinpastdecades.Advancedturbinecoolingtechnologybecomethekeyfactorofturbinedesign.Modernandadvancedturbinecoolingstructurebecomemorecomplexanddiversified.Overallcoolingeffectivenessistheresultofvariouscoolingcomponentsanddifferenthea

7、ttransfermethodstogether.Withthedeepexplorationoftheturbinecoolingtechnology,thestudiesoftheconjugateheattransfercharacteristicswhichreflectsintegratedcoolingsystemperformancebecomeverymeaningful.Firstly,bycompletingtheflowandheattransfermeasurementsbasedontheendwallcoolingheattransf

8、ermechanismr