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基于几何相似的涡轮叶片内部带肋结构流热性能研究

摘要

为提高燃气轮机效率和功率，涡轮前温度不断提升，高温高压条件下的涡轮叶片容

易受到损坏，使用寿命降低。为提高叶片耐高温能力，带肋冷却结构作为内部强化对流

传热的一种方式被广泛应用于涡轮叶片冷却。在涡轮叶片冷却结构设计研究中，通常采

用尺度缩放与降低温度等方式简化研究、缩短研制周期、降低研发成本，由于在相似模

化研究中无法满足完全相似准则条件，近似相似条件将产生相似模化偏差。本文针对涡

轮叶片内部带肋冷却结构，开展流动与传热性能相似模化性能研究，获得满足部分相似

条件下的阻力与传热性能的变化规律，建立带肋冷却结构传热性能在不同缩放条件下的

相似转换关系，揭示内部流动传热机理，主要工作内容如下：

基于瞬态液晶传热测试技术，开展光滑、方肋、交错肋直通道冷却结构模型多尺度

及不同工况条件下的流动传热特性实验研究。搭建低速风洞传热与阻力测量实验台，设

计加工合适尺寸的冷却结构模化实验件。开展热敏液晶标定实验，建立液晶显色规律与

实际温度的对应关系，获得特征温度下的数字图像值。根据测量误差评估实验结果的不

确定度，其中雷诺数、阻力系数以及努塞尔数的最大不确定度分别为：2.9%，13.2%，

10.0%。进而开展三种冷却结构的表面传热分布与沿程阻力损失测试实验，获得冷却结

构整体阻力系数，通过自编后处理程序求解冷却结构表面的努塞尔数分布。实验结果表

明几何尺度条件对阻力与传热产生一定的影响。

基于光滑直通道冷却结构，开展几何模化、流动模化、温度模化过程的模化参数对

冷却结构性能的影响研究。几何缩放是相似模化研究中的常用模化方法，相同雷诺数工

况下几何尺度变化将影响流体的可压缩性，进而影响阻力与传热水平。几何尺度导致相

对粗糙度变化，因此内部流动发生改变，引起阻力与传热性能的变化。作为流动工况相

似条件的雷诺数变化将直接影响内部阻力与传热性能，同时影响性能参数随几何尺度变

化的程度。不同温差与冷热态条件对流动与传热性能具有一定的影响，工质温度影响流

体物性参数，因此显著改变冷却结构阻力与传热水平。

为深入探究内部带肋冷却结构相似模化特性，开展了方肋、交错肋冷却结构在不同

几何缩放与雷诺数工况下阻力与传热特性的影响研究。建立阻力系数、努塞尔数以及综

合换热系数统一形式的预测关联式，实现了在一定雷诺数与缩放系数范围条件下的流动

哈尔滨工程大学博士学位论文

与传热性能参数预测及修正，最大预测误差为3.08%。结果表明，在不同几何缩放系数

条件下，带肋冷却结构阻力系数与传热系数均呈现指数型变化趋势。当雷诺数为40000

时，将几何尺度缩小10倍，方肋冷却结构传热水平减小了26.4%，阻力水平提高了9.3%，

而交错肋冷却结构传热与阻力分别降低了21.9%和降低了34.7%。几何缩放对流动传热

的影响小于流动工况条件带来的变化，但几何缩放在一定程度上改变流动特性，进而影

响整体阻力与传热性能。在相对较高的雷诺数条件下，Re=40000时流动对于几何尺度变

化更加敏感，因此阻力与传热性能随几何缩放系数指数变化趋势更加明显。

为了扩展近相似模化条件对带肋冷却结构流动与传热性能的研究，设计并搭建了神

经网络模型，实现带肋冷却结构在几何缩放因子、雷诺数、入口温度条件下的阻力与传

热性能的关系快速预测。通过数值仿真方法，建立了几何缩放系数、雷诺数、入口温度

条件下的阻力系数与努塞尔数以及冷却结构表面传热分布的神经网络训练集与验证集。

基于反向传播神经网络预测模型，开展方肋和交错肋冷却结构的阻力系数与努塞尔数的

预测与误差评估，精度分别为99%和98%以上。同时设计逆向卷积神经网络模型，实现

方肋与交错肋冷却结构表面传热分布预测，精度分别为90%和80%以上。通过神经网络

对带肋冷却结构流动与传热的预测分析研究，进一步表明冷却结构性能参数随几何系数

变化呈现指数趋势，而且在高温差与大雷诺数条件下，几何缩放对性能参数的影响更加

明显。

关键词:涡轮叶片；内部冷却；带肋通道；相似模化；神经网络

基于几何相似的涡轮叶片内部带肋结构流热性能研究

Abstract

Toimprovetheefficiencyandpowerofga