带有树状多孔冷却通道的燃气轮机燃烧室在变化的高热负荷下的蒸腾冷却

《Applied Thermal Engineering》：Transpiration cooling of combustion chamber for gas turbine with tree-shaped porous cooling channel under varying high heat load

提高高性能燃气轮机燃烧室壁热防护效率，设计树状多孔冷却通道。研究单相转相冷却在稳态和时变热负荷下的结构优化，确定吹气比1.5%与密度由密到疏的优化结构使最大温差仅29.7K，且对主流温度突变更敏感。实验表明该结构能有效抑制温差波动（如温度波动250K时温差仅35K），并优化温度均匀性（905-930K）。

　　

梅艳熊|周玉婷|刘振伟|王博远|曹峰|李萍

西安交通大学热流体科学与工程教育部重点实验室，中国陕西省西安市710049

摘要

为了提高高性能燃气轮机燃烧室壁的热防护性能，设计了仿生树状多孔冷却通道。研究了单相蒸发冷却的效果，并在稳态和时变热负荷条件下确定了最佳结构。研究结果表明，当吹风比为1.5%且采用最佳结构时，能够实现优异的温度均匀性，最大温差仅限于29.7 K。值得注意的是，蒸发表面的最大温差波动受主流温度突变的影响大于主流速度突变的影响。当主流温度在1250 K的基础上波动250 K，主流速度为150 m·s^?1时，最佳结构可以有效缓解温差波动，使其降至35 K。此外，当主流温度或速度突然变化时，蒸发表面的平均温度会随时间显著变化，而主流速度的突然变化能够更好地控制温度均匀性。当主流速度在150 m·s^?1的基础上波动50 m·s^?1

引言

对于燃气轮机而言，提高循环效率需要提高涡轮机的入口温度，这会导致燃烧室内的主流温度升高。高温会加速燃烧室壁的氧化、产生局部热应力并导致烧蚀[1]。此外，在启动、加速和减速等瞬态运行条件下，燃烧室内的主流温度和速度会显著变化[2]。主流参数的波动会导致冷却效率的变化和局部热故障。上述挑战对燃气轮机燃烧室壁的冷却效率提出了新的要求。

蒸发冷却是一种受生物出汗现象启发的热防护技术。冷却液流经多孔区域并与壁面进行热交换。离开多孔区域后，冷却液在高温壁面上形成一层薄膜，从而改变壁面附近的速度和温度分布[3]。因此，蒸发冷却可用于保护高热负荷部件，并已在一些关键领域得到广泛应用，例如高超音速飞行器的鼻锥[4]、[5]、火箭推力室[6]、燃气轮机的高温叶片[7]、[8]以及燃烧室壁[9]、[10]。在整个冷却过程中冷却液保持单相状态且不发生相变的蒸发冷却称为单相蒸发冷却；如果发生相变，则称为相变蒸发冷却[11]。单相蒸发冷却具有配置简单、冷却液消耗低和冷却效率高的特点，因此受到了广泛关注。

尽管蒸发冷却在热防护方面表现出色，但其冷却性能受主流参数变化的影响。在实验条件下，朱等人[12]发现主流温度的升高会导致表面温度升高，从而略微提高蒸发冷却效率；而刘等人[13]则认为主流温度升高反而会降低冷却效率。在实际应用中，主流参数经常随时间发生突然变化。黄等人[14]研究了具有相变的自泵送蒸发冷却现象，当主流温度从815 K降至600 K再升至750 K时，多孔表面的温度保持稳定；同样，主流速度从30 m·s^{?1?1也未引起显著变化。何等人[15]研究了具有相变的蒸发冷却过程中的热传递，发现热流量的突然增加会导致侧壁温度从350 K升至1750 K。董等人[16]研究了具有相变的自适应蒸发冷却过程的瞬态特性，当热流量从60 W·cm?2突然增加到180 W·cm?2时，热侧壁的温度从800 K升至约1300 K。关于主流参数随时间突然变化对单相蒸发冷却影响的研究尚不充分，因此亟需对此进行深入研究。}

为了进一步提高热传递效率，人们探索了多种创新通道设计，其中仿生树状结构被应用于各种冷却通道的设计中。为了实现更好的热传递效率，闫等人[17]提出了一种双层Y形分形网络散热器，使入口处的温度均匀性提高了24% - 30%。黄等人[18]引入了一种具有可变横截面的树状微通道散热器（TMHS），发现在所研究的雷诺数范围内其热传递效率最高。詹等人[19]设计了一种新型树状冷却板，发现最大温度和温度标准差的最大降低幅度分别为13.94%和52.94%。马等人[20]设计并制造了一种仿生Y形分形微通道散热器，实现了高热流量和节能冷却效果。亚总亚流体传输模式降低了最大温度的升高，并改善了表面温度均匀性。对于沿流动方向不同密度排列的仿生树状结构单相蒸发冷却，这些研究对理解其热传递性能的影响具有有限的指导意义。

此外，吹风比是蒸发冷却中的关键参数，已被广泛研究。Poupinha等人[21]研究了多孔结构引起的蒸发冷却性能，发现吹风比在0.5到2的范围内增加时，横向平均热传递系数有所提高。韩等人[22]在异质多孔介质中研究了蒸发冷却性能，发现当吹风比为0.3%时，随着孔隙率从0.2增加到0.5，平均冷却效率提高了10.3%。徐等人[23]研究了通孔蒸发冷却的热传递特性，证明增加吹风比可以有效提高冷却效率。为了预测多孔板的蒸发冷却性能，熊等人[24]研究了流动和热传递机制，在相同条件下，CO₂的吹风比比CO的最小吹风比高36.62%，获得了最佳的冷却效果。孙等人[25]研究了孔径、吹风比和主流雷诺数对穿孔平板蒸发冷却性能的影响，当孔径为0.3 mm时，吹风比为1%时最大冷却效率达到88%。因此，应详细研究不同排列方式下仿生树状多孔冷却通道中吹风比的机制。

本研究基于植物均匀和非均匀根系结构的仿生学原理，设计了三种具有不同孔分布的树状多孔冷却通道，以研究其对单相蒸发冷却的影响。同时分析了稳态和时变主流参数下吹风比对热传递性能的影响，并探讨了冷却液与主流之间的耦合机制。这些发现有助于提高燃气轮机燃烧室的冷却效率和稳定性。

部分摘录

几何模型

用于蒸发冷却的仿生树状结构如图1所示。冷却结构分为三个通道：冷却空气依次通过主通道、次级通道和三级通道进行蒸发冷却。根据树木直径沿生长方向的变化特性，各层通道的直径沿流动方向逐渐减小。

稳态条件下吹风比对蒸发冷却性能的影响分析

在主流温度为1250 K、主流速度为150 m·s^?1、冷却空气入口温度为700 K的条件下，对不同吹风比的冷却空气进行了数值模拟。图8展示了平均蒸发冷却效率η_avg和蒸发表面最大温差ΔT_s,max的性能参数。随着吹风比的增加，不同结构的η_avg

结论

基于植物均匀和非均匀根系结构的仿生学原理，设计了用于单相蒸发冷却的树状结构多孔通道。然后分析了稳态条件下吹风比对冷却效率的影响机制，并揭示了不同结构在时变主流参数下的蒸发冷却性能变化趋势。主要结论如下：

(1)

从密集排列的结构开始

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究工作。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（编号：51976152）的支持。