葉片內(nèi)冷通道中采用汽霧換熱或蒸汽換熱的

1、第35卷第0期中國電機工程學(xué)報Vol.35No.0000.0020152015年0月00日ProceedingsoftheCSEE?2015Chin.Soc.fElec.Eng.1DOI：10.13334j.02588013.pcsee.2015.00.000文章編號：02588013(2015)00000000中圖分類號：TK47葉片內(nèi)冷通道中采用汽霧換熱或蒸汽換熱的實驗研究史曉軍1，稅琳棋2，陶小兵1，高建民1，李法敬1(1機械制造

2、系統(tǒng)工程國家重點實驗室(西安交通大學(xué))，陜西省西安市710049；2西安理工大學(xué)機械與精密儀器工程學(xué)院，陜西省西安市710048)HeatTransferExperimentalInvestigationofMistSteamSteamWithinGasTurbineBladeInternalCoolingPassageSHIXiaojun1SHUILinqi2TaoXiaobing1GAOJianmin1LIFajing1(1.Sta

3、teKeyLabatyfManufacturingSystemEngineering(Xi’anJiaotongUniversity)Xi’an710049ShaanxiProvinceChina2.SchoolofMechanicalofPrecisionofInstrumentEngineeringXi’anUniversityofTechnologyXi’an710048ShaanxiProvinceChina)ABSTRACT:

4、Convectivemistair(steam)coolingisoneofpotentialpromisingtechnologyfadvancedgasturbinebladecooling.Itcangreatlyimprovethecoolingeffectivenessofturbinebladeusingtwophaseflow.Basedontheexperimentalplatfmwhichwasbuilttoinves

5、tigatetheconvectioncoolingofmiststeamtwophaseflowwithinhightemperatureturbinebladecoolingchannelstheeffectofReynoldsnumber，wallheatfluxmistmassflowrateonthetemperaturedistributionheattransfercoefficientofmiststeamcooledp

6、assagewallwasstudied.Thethermalperfmanceofsteammiststeamwascomparedunderthesameconditions.TheresultsshowthattheaverageNusseltnumberofmiststeamwhichistwophaseflowcoolingfluidfmedbyinjectingasmallamountoffinewaterletsintot

7、hemainsteamisupto3.46timesthepuresteamWhenthecoolingconditionfactislessthan23significantsettlementlargeletsevapatewillbeoccurredinthecentralregionofmiststeamcooledpassage.Thenthecoolingeffectofgasturbinebladeinternalcool

8、ingpassageissignificantlyimproved.KEYWDS:gasturbinebladecoolingmiststeamcoolingheattransferacteristics；experimentalinvestigation摘要：氣(汽)霧冷卻葉片是新一代高效葉片冷卻技術(shù)的一個重要發(fā)展方向，具有廣闊的應(yīng)用前景和發(fā)展?jié)摿?。在?gòu)建的基金項目：國家自然科學(xué)基金面上項目(51276136)；教育部高等學(xué)校博士學(xué)科

9、點專項科研基金項目(20120201120039)。ProjectSupptedbyNationalNaturalScienceFoundationofChina(51276136)ProjectSupptedbySpecialScientificResearchFundsfDoctalSpecialityofInstitutionofHigherLearning(20120201120039).高溫渦輪葉片內(nèi)冷通道氣(汽)霧兩相流對流

10、冷卻實驗平臺上，研究雷諾數(shù)、壁面熱流密度以及水霧質(zhì)量流量對汽霧冷卻通道壁面溫度分布和換熱系數(shù)的影響，并與相同工況下蒸汽的換熱性能進(jìn)行對比。主要結(jié)果顯示，向主流蒸汽中噴入少量細(xì)小霧滴形成汽霧兩相流冷卻介質(zhì)，其平均努賽爾數(shù)最高可達(dá)純蒸汽的3.46倍；當(dāng)冷卻工況因子小于23時，汽霧冷卻通道中部區(qū)域?qū)⒊霈F(xiàn)明顯的大液滴沉降和蒸發(fā)，冷卻效果顯著提高。關(guān)鍵詞：燃?xì)廨啓C；葉片冷卻；汽霧冷卻；換熱特性；實驗研究0引言高效的葉片冷卻技術(shù)對提高燃?xì)廨啓C的熱效

11、率、輸出功率以及保證其安全和壽命非常關(guān)鍵[1]。然而，隨著燃?xì)鉁u輪進(jìn)口溫度超過1?500?℃，現(xiàn)采用空氣或蒸汽作為工質(zhì)冷卻葉片的技術(shù)存在冷卻效率低、冷卻劑耗量大的問題，部分抵消了提高燃?xì)鉁u輪進(jìn)口溫度對燃?xì)廨啓C性能的改善。針對上述問題，許多研究者正致力于先進(jìn)高效的冷卻葉片技術(shù)的研究，以推動下一代高性能燃?xì)廨啓C的發(fā)展。兩相流冷卻葉片是新一代高效葉片冷卻技術(shù)的一個重要發(fā)展方向，具有廣闊的前景和應(yīng)用潛力[2]。其原理是：從壓氣機中抽出的冷卻空氣

12、或從聯(lián)合循環(huán)機組底循環(huán)中抽取的冷卻蒸汽，在進(jìn)入燃?xì)鉁u輪葉片冷卻系統(tǒng)之前，噴入少量水霧，形第期史曉軍等：葉片內(nèi)冷通道中采用汽霧換熱或蒸汽換熱的實驗研究3(a)照片(b)橫截面4204040圖2實驗通道(mm)Fig.2Photocrosssectionoftestchannel(mm)石英玻璃光學(xué)測量視窗，其尺寸為40?mm???40?mm，厚度為6?mm。采用粒子示蹤儀PIV通過視窗測量霧滴的直徑，濃度及其分布。PIV測量系統(tǒng)主要包括激

13、光照明系統(tǒng)、同步控制系統(tǒng)、圖像拍攝和處理系統(tǒng)等。如圖3所示。光導(dǎo)臂CCD相機支撐導(dǎo)軌移動測量平臺激光控制器雙脈沖激光器激光電源控制系統(tǒng)同步觸發(fā)器片光器圖3PIV測量系統(tǒng)Fig.3MeasurementsystemofPIV在通道3個外壁面的關(guān)鍵位置共均勻布置了65個直徑為0.3?mm的E型熱電偶，用來測量重力和浮升力影響下壁面局部平均溫度分布。熱電偶的測點布置如圖4所示，測點間距為15?mm。并且在zD???1.2和zD???9.5處布

14、置了2個壓力測點，采用精度等級為0.075的NCSPT105Ⅱ型壓力變送器進(jìn)行通道進(jìn)口絕壓和測點間差壓的測量，其量程為0~1.5?kPa。zD???010上壁面左側(cè)壁面下壁面1.21.82.43.03.64.24.85.46.06.67.27.88.4圖4熱電偶測點詳細(xì)布置圖Fig.4Detailedthermocouplelocations所有溫度、壓力和流量信號均使用橫河公司的MX100系統(tǒng)采集，轉(zhuǎn)換后送入計算機進(jìn)一步處理。實驗工況

15、參數(shù)由控制系統(tǒng)精確控制。為了減少環(huán)境對系統(tǒng)換熱的影響，所有設(shè)備及管路均敷設(shè)50?mm厚的硅酸鋁保溫層。2數(shù)據(jù)處理液滴的平均粒徑是衡量液滴流動特性最重要的參數(shù)之一，常用的有算術(shù)平均粒徑(100()niidd???n)、面平均粒徑()、體平均粒徑2201()niiddn???(d30??)和索太爾平均粒徑(331()niidn??)，323211nniiiiddd?????其中n為液滴總數(shù)。如果液滴均為同樣大小，則d10???d20???d

16、30???d32???d。如果液滴具有不同的大小，則算術(shù)平均粒徑的數(shù)值最小，而采用索太爾平均粒徑d32得到的數(shù)值最大。假定從通道傳遞給蒸汽的熱流密度q是均勻分布的，由式(1)確定：(1)ellossQQqA??式中：Qel為對實驗通道加熱的電功率；Qloss為散熱損失；A為通道換熱面積。散熱實驗結(jié)果表明，熱損失在280~310?Wm2，最大熱損失小于總輸入熱量的5%。純蒸汽的局部換熱系數(shù)為(2)steamwbzzqhTT??式中：Twz