燃?xì)廨啓C(jī)沖擊冷卻技術(shù)

紀(jì)親禮

（哈爾濱汽輪機(jī)廠有限責(zé)任公司，哈爾濱150046）

燃?xì)廨啓C(jī)沖擊冷卻技術(shù)

紀(jì)親禮

（哈爾濱汽輪機(jī)廠有限責(zé)任公司，哈爾濱150046）

針對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)沖擊冷卻及高性能冷卻結(jié)構(gòu)技術(shù)的研究，介紹了研究試驗(yàn)分析方法，研究對(duì)象包括吸熱的復(fù)雜形狀，故采用試驗(yàn)檢測(cè)方法為主，輔以有助于現(xiàn)象理解的數(shù)值分析及分析精度評(píng)價(jià)的研究方法。

燃?xì)廨啓C(jī)；沖擊冷卻；試驗(yàn)檢測(cè)

0 引言

沖擊冷卻技術(shù)已經(jīng)有很長(zhǎng)的歷史了，人們對(duì)冷卻結(jié)構(gòu)也已經(jīng)做過(guò)很多研究，并且總結(jié)出很多精確度比較高的冷卻性能預(yù)測(cè)公式。隨著近年來(lái)制造加工技術(shù)（精密鑄造等）的進(jìn)步和對(duì)冷卻性能的更高要求，對(duì)各種復(fù)雜（復(fù)合）的高性能冷卻結(jié)構(gòu)的研究也取得了進(jìn)步。本文主要介紹對(duì)冷卻要素技術(shù)的研究。

1 沖擊冷卻的要素研究

1）多排孔的沖擊冷卻。除了前緣冷卻以外，很少采用單排孔的沖擊冷卻技術(shù)。在采用多排孔沖擊冷卻時(shí)，其上游發(fā)生的橫向氣流對(duì)冷卻性能的影響很大。

為了降低橫向氣流，研究了減少沿流向的沖擊冷卻孔數(shù)、并增大孔徑的非一般冷卻系統(tǒng)。研究還包含了凸緣和倒圓曲率對(duì)冷卻性能的影響，研究人員也進(jìn)行了非一般系統(tǒng)的研究。研究結(jié)果表明：在同一流量下，非一般結(jié)構(gòu)可以從整體上提高冷卻性能，并有利于冷卻性能和流量分配的均勻性。

2）沖擊/發(fā)散冷卻。沖擊/發(fā)散冷卻是可以有效降低橫向氣流，達(dá)到外部冷卻效果的結(jié)構(gòu)。復(fù)合冷卻結(jié)構(gòu)也可以看作是這種冷卻結(jié)構(gòu)的延伸。

3）沖擊冷卻和渦流促進(jìn)體。在通道等對(duì)流冷卻時(shí)，很早就開始使用凸緣（凸起結(jié)構(gòu)）和凹窩（下凹結(jié)構(gòu)）的渦流促進(jìn)體。在沖擊冷卻當(dāng)中也正在研究用凹凸不平元件相結(jié)合的復(fù)合結(jié)構(gòu)來(lái)促進(jìn)渦流的形成。

4）前緣沖擊冷卻。在葉片前緣部分，外部面積大于內(nèi)部冷卻面積，采用內(nèi)部對(duì)流冷卻的效果不好，故大多采用沖擊冷卻和氣膜冷卻（頭部噴淋和腮孔）并用的方式。而這是一種冷卻性能受氣膜噴出孔位置影響，而且氣膜冷卻孔內(nèi)部冷卻效果也很重要的復(fù)雜系統(tǒng)。

5）試驗(yàn)計(jì)測(cè)技術(shù)。在開發(fā)要素技術(shù)時(shí)，大多采用常壓風(fēng)洞試驗(yàn)。此時(shí)，關(guān)鍵是要獲得流體的可視化、冷卻性能的面分布和速度場(chǎng)·紊流計(jì)測(cè)等詳細(xì)數(shù)據(jù)。各研究機(jī)構(gòu)在進(jìn)行研究時(shí)應(yīng)用了感溫液晶、紅外攝相機(jī)和萘升華法等來(lái)進(jìn)行冷卻性能的面計(jì)測(cè)。并用激光流速計(jì)、熱線（熱膜）流速計(jì)等來(lái)進(jìn)行速度場(chǎng)計(jì)測(cè)。在很多情況下是應(yīng)用向固體內(nèi)部擴(kuò)散溫度的非定常法來(lái)替代需要花時(shí)間等待溫度場(chǎng)穩(wěn)定的定常法。

6）數(shù)值分析技術(shù)。本領(lǐng)域的數(shù)值分析（CFD和復(fù)合分析）尚在評(píng)價(jià)階段。因?yàn)閷?duì)流冷卻的人為促進(jìn)效果大多占10%左右，所以筆者認(rèn)為在對(duì)前述效果進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)數(shù)值分析的誤差（包括試驗(yàn)測(cè)量誤差）應(yīng)該在10%左右。

此領(lǐng)域內(nèi)至今大多使用市場(chǎng)上出售的CFD（計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)）程序，所以要提高準(zhǔn)確度，和銷售商的合作也是很重要的。

2 具有復(fù)雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)的高性能冷卻結(jié)構(gòu)

在沖擊冷卻當(dāng)中，確保導(dǎo)熱面和噴射孔之間的距離是很重要的，由此想到了將沖擊冷卻板和靶板（即相當(dāng)于葉片內(nèi)面）連同來(lái)促進(jìn)紊流和擴(kuò)大導(dǎo)熱面積的復(fù)合結(jié)構(gòu)。采用這樣的結(jié)構(gòu)應(yīng)該能夠得到前所未有的高冷卻性能，下面將對(duì)復(fù)雜的、先進(jìn)的冷卻結(jié)構(gòu)的研究進(jìn)行介紹。

1）整體鑄造冷卻結(jié)構(gòu)。此結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于沖擊冷卻板和葉片的外壁是一體化結(jié)構(gòu)，所以沖擊冷卻板也可以進(jìn)行熱交換。

2）對(duì)采用了雪花狀內(nèi)部散熱片的結(jié)構(gòu)進(jìn)行氣膜冷卻孔的張角和孔距配置間隔對(duì)冷卻性能的影響研究。孔距配置間隔較小時(shí)，傾斜的氣膜冷卻孔可以提高冷卻性能；孔距配置間隔較大時(shí)，采用垂直孔和傾斜孔的冷卻性能沒有差別。

3）復(fù)合型沖擊冷卻結(jié)構(gòu)。將沖擊冷卻孔和氣膜冷卻孔按棋盤方式配置，在以這些孔為頂點(diǎn)的正方形中心處配置一根短柱作為基本結(jié)構(gòu)，計(jì)算和測(cè)量了這種基本結(jié)構(gòu)冷卻側(cè)的傳熱率分布。

4）網(wǎng)眼式冷卻結(jié)構(gòu)。和沖擊冷卻、氣膜冷卻不同，提出了網(wǎng)眼式冷卻結(jié)構(gòu)，這是一種復(fù)雜的雙層壁復(fù)合式冷卻結(jié)構(gòu)。這種冷卻結(jié)構(gòu)是由凹窩、凸緣、短桿3種紊流促進(jìn)結(jié)構(gòu)組合構(gòu)成，其冷卻效果成倍提高，傳熱率約是單純平面流道結(jié)構(gòu)的3倍。

5）格子冷卻結(jié)構(gòu)。格子冷卻結(jié)構(gòu)的傳熱率和壓損等導(dǎo)熱特性與帶有紊流促進(jìn)體的曲折流道結(jié)構(gòu)處于同等水平，但具有良好的可鑄性和確保葉片結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的優(yōu)點(diǎn)。

研究結(jié)果表明，格子冷卻結(jié)構(gòu)的折返部份導(dǎo)熱促進(jìn)效果達(dá)到平滑面的3倍。旋轉(zhuǎn)對(duì)格子冷卻結(jié)構(gòu)的影響并沒有那么大。

3 結(jié)語(yǔ)

文中概述了沖擊冷卻的問(wèn)題，并簡(jiǎn)介了幾種最新的高性能冷卻結(jié)構(gòu)的研究情況、預(yù)期采用的技術(shù)、實(shí)現(xiàn)這些技術(shù)的難處，以及實(shí)現(xiàn)這些技術(shù)可達(dá)到的效果。冷卻結(jié)構(gòu)和復(fù)合型沖擊冷卻結(jié)構(gòu)等屬于難度較高的技術(shù)，但其技術(shù)效果良好。

（編輯：立 明）

TK 269

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1002－2333（2014）04－0252－02

紀(jì)親禮（1963—），男，工程師，主要從事汽輪機(jī)技術(shù)工作。

2013-11-25