葉片內(nèi)冷通道中采用汽霧換熱或蒸汽換熱的

1、DOI：10.13334/j.0258-8013.pcsee.2015.00.000 文章編號(hào)：0258-8013 (2015) 00-0000-00 中圖分類號(hào)：TK 47葉片內(nèi)冷通道中采用汽霧換熱或蒸汽換熱的實(shí)驗(yàn)研究史曉軍1，稅琳棋2，陶小兵1，高建民1，李法敬1(1機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(西安交通大學(xué))，陜西省 西安市 710049；2西安理工大學(xué)機(jī)械與精密儀器工程學(xué)院，陜西省 西安市 710048)Heat Transfer Experimental Investigation of Mist/Steam or Steam Within Gas Turbine Blade In

2、ternal Cooling PassageSHI Xiaojun1, SHUI Linqi2, Tao Xiaobing1, GAO Jianmin1, LI Fajing1(1. State Key Laboratory for Manufacturing System Engineering (Xian Jiaotong University), Xian 710049, Shaanxi Province, China; 2. School of Mechanical of Precision of Instrument Engineering, Xian University of T

3、echnology, Xian 710048, Shaanxi Province, China)ABSTRACT: Convective mist/air (steam) cooling is one of potential promising technology for advanced gas turbine blade cooling. It can greatly improve the cooling effectiveness of turbine blade using two-phase flow. Based on the experimental platform wh

4、ich was built to investigate the convection cooling of mist/steam two-phase flow within high temperature turbine blade cooling channels, the effect of Reynolds number，wall heat flux and mist mass flow rate on the temperature distribution and heat transfer coefficient of mist/steam cooled passage wal

5、l was studied. The thermal performance of steam and mist/steam was compared under the same conditions. The results show that the average Nusselt number of mist/steam, which is two-phase flow cooling fluid formed by injecting a small amount of fine water droplets into the main steam, is up to 3.46 ti

6、mes the pure steam; When the cooling condition factor is less than 23, significant settlement and large droplets evaporate will be occurred in the central region of mist/steam cooled passage. Then the cooling effect of gas turbine blade internal cooling passage is significantly improved.KEY WORDS: g

7、as turbine; blade cooling; mist/steam cooling; heat transfer characteristics；experimental investigation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(gè)重要發(fā)展方向，具有廣闊的應(yīng)用前景和發(fā)展?jié)摿ΑＴ跇?gòu)建的基金項(xiàng)目：Project Supported by National Natural Science Foundation of China (51276136); Project Supported by Special Scientific and Research Funds fo

8、r Doctoral Speciality of Institution of Higher Learning高溫渦輪葉片內(nèi)冷通道氣(汽)霧兩相流對(duì)流冷卻實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上，研究雷諾數(shù)、壁面熱流密度以及水霧質(zhì)量流量對(duì)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(duì)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(shí)，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(jī)；葉片冷卻；汽霧冷卻；換熱特性；實(shí)驗(yàn)研究0 引言高效的葉片冷卻技術(shù)對(duì)提高燃?xì)廨啓C(jī)的熱效率、輸出

9、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(duì)燃?xì)廨啓C(jī)性能的改善。針對(duì)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(dòng)下一代高性能燃?xì)廨啓C(jī)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(gè)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(jī)中抽出的冷卻空氣或從聯(lián)合循環(huán)機(jī)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，形成氣(汽)霧兩相流作為高溫渦輪葉片的冷卻介質(zhì)3。兩相流冷卻葉片具有以下優(yōu)勢(shì)：1）氣(汽)

10、霧的比熱較大；2）彌散在氣相中的水霧流動(dòng)過程中吸收潛熱；3）彌散在氣相中的小液滴蒸發(fā)導(dǎo)致質(zhì)量、動(dòng)量和能量傳遞增強(qiáng)4。因此，相對(duì)于單相流的空氣或蒸汽，采用氣(汽)霧作為燃機(jī)葉片的冷卻介質(zhì)可以獲得很高的換熱系數(shù)，將顯著提高葉片冷卻效率，大幅度減少空氣或蒸汽的消耗量，并增大循環(huán)的輸出功率和熱效率。日立公司動(dòng)力與工業(yè)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室的研究人員指出，相對(duì)于空氣，采用氣霧冷卻葉片能使燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)的熱效率提高1.7%5。劍橋Parks研究小組對(duì)葉片氣霧冷卻的燃?xì)鉁u輪循環(huán)進(jìn)行了參數(shù)優(yōu)化6。Han和Tanda等7-9研究了帶肋矩形通道中空氣的流動(dòng)和換熱過程，分析了通道的寬高比和各種肋片幾何參數(shù)對(duì)換熱效果的影響。研究結(jié)

11、果顯示，由于傾斜肋片會(huì)引起二次流，其強(qiáng)化換熱效果優(yōu)于垂直肋片；相對(duì)于光滑通道，帶肋面平均傳熱系數(shù)提高23倍，同時(shí)壓降增大318倍。陶文銓等研究了空氣在漸擴(kuò)和漸縮方形通道中的傳熱和壓降特性10。文獻(xiàn)11-13實(shí)驗(yàn)研究了蒸汽在帶肋通道中沿通道軸向和徑向的換熱系數(shù)分布規(guī)律；通道寬高比、肋角度和雷諾數(shù)對(duì)蒸汽在帶肋通道中換熱系數(shù)、摩擦系數(shù)和換熱性能的影響；以及蒸汽過熱度、蒸汽壓力、通道表面熱流密度對(duì)蒸汽在復(fù)雜帶肋通道中換熱系數(shù)和摩擦系數(shù)的影響。美國(guó)新奧爾良大學(xué)能源轉(zhuǎn)化與節(jié)能中心Wang T.等人使用霧/蒸汽兩相流進(jìn)行對(duì)流換熱冷卻用以取代氣膜冷卻，對(duì)光滑圓管和水平180 彎管內(nèi)的汽霧流動(dòng)和換熱特性進(jìn)行了實(shí)

12、驗(yàn)研究5,14-15，結(jié)果表明濃度為2.3%的水霧使平均換熱系數(shù)提高了160%。普渡大學(xué)Kumari等人對(duì)氣霧兩相流在矩形通道熱沉中的強(qiáng)制對(duì)流換熱進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了水霧蒸發(fā)對(duì)傳熱增強(qiáng)的作用16。俄羅斯Kutateladze熱物理研究所的研究人員Terekhov和Pakhomov研究了管內(nèi)湍流氣霧的流動(dòng)和換熱數(shù)學(xué)模型17。氣(汽)霧兩相流在葉片內(nèi)冷通道中的流動(dòng)和傳熱過程十分復(fù)雜，彌散微小液滴的動(dòng)力學(xué)特性和兩相流傳熱機(jī)理尚不清楚，還有待于進(jìn)一步深入研究。本文在葉片內(nèi)冷通道兩相流冷卻機(jī)理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上，對(duì)一方形光滑通道中液滴的輸運(yùn)特性，以及汽霧兩相流的流動(dòng)和換熱機(jī)理進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，并與相同工況下蒸汽

13、的換熱性能進(jìn)行了比較，揭示了通道進(jìn)口雷諾數(shù)、通道熱流密度以及離散相水霧濃度變化對(duì)通道壁面換熱性能的影響。1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及設(shè)備葉片內(nèi)冷通道兩相流冷卻機(jī)理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示，其主要由蒸汽子系統(tǒng)、噴霧子系統(tǒng)，試驗(yàn)段及其加熱裝置、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，控制系統(tǒng)和排氣系統(tǒng)等組成。噴霧子系統(tǒng)由供水裝置、控制閥組和高壓泵和噴嘴構(gòu)成。其主要功能是利用電加熱管將潔凈的水加熱到大約70C，同時(shí)用柱塞計(jì)量泵將潔凈水加壓，再通過輸送管路進(jìn)入噴嘴，在噴嘴處由于壓力的作用，潔凈水被霧化成細(xì)小的顆粒(霧滴)，然后噴入混合罐。其它子系統(tǒng)的詳細(xì)說明請(qǐng)參見文獻(xiàn)18。渦輪葉片內(nèi)冷通道兩相流強(qiáng)化換熱試驗(yàn)過程如下：由蒸汽子系統(tǒng)提供流量、溫度和壓

14、力可控的蒸汽作為連續(xù)相，噴霧子系統(tǒng)提供壓力和流量可調(diào)的水霧作為離散相，蒸汽和水霧在混合腔里經(jīng)過充分混合，達(dá)到熱動(dòng)力學(xué)平衡后進(jìn)入試驗(yàn)段，然后開啟加熱裝置對(duì)試驗(yàn)段進(jìn)行加熱，在整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定后采集所需要的參數(shù)信息。圖1 實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)圖Fig. 1 schematic diagram of experimental apparatus將重型燃機(jī)設(shè)計(jì)中常用葉片內(nèi)冷通道幾何結(jié)構(gòu)?；癁榉叫喂饣瑢?shí)驗(yàn)通道，其內(nèi)徑為40 mm，長(zhǎng)度為420 mm。如圖2所示。實(shí)驗(yàn)通道的材料為3 mm厚的不銹鋼(1Cr18Ni9Ti)。采用低電壓高電流的交流電源加熱器直接加熱試驗(yàn)段的4個(gè)壁面，該加熱裝置由控制器和變壓器組成，最大電流4

15、 500 A，最高電壓7.5 V，最大功率25 kW。在試驗(yàn)段前后兩端分別安裝了耐高溫高壓的圖2 實(shí)驗(yàn)通道(mm)Fig. 2 Photo and cross section of test channel(mm)石英玻璃光學(xué)測(cè)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(cè)量霧滴的直徑，濃度及其分布。PIV測(cè)量系統(tǒng)主要包括激光照明系統(tǒng)、同步控制系統(tǒng)、圖像拍攝和處理系統(tǒng)等。如圖3所示。圖3 PIV測(cè)量系統(tǒng)Fig. 3 Measurement system of PIV在通道3個(gè)外壁面的關(guān)鍵位置共均勻布置了65個(gè)直徑為0.3 mm的E型熱電偶，用來測(cè)量重力和

16、浮升力影響下壁面局部平均溫度分布。熱電偶的測(cè)點(diǎn)布置如圖4所示，測(cè)點(diǎn)間距為15 mm。并且在z/D = 1.2和z/D = 9.5處布置了2個(gè)壓力測(cè)點(diǎn)，采用精度等級(jí)為0.075的NCS-PT105型壓力變送器進(jìn)行通道進(jìn)口絕壓和測(cè)點(diǎn)間差壓的測(cè)量，其量程為01.5 kPa。圖4 熱電偶測(cè)點(diǎn)詳細(xì)布置圖Fig. 4 Detailed thermocouple locations所有溫度、壓力和流量信號(hào)均使用橫河公司的MX100系統(tǒng)采集，轉(zhuǎn)換后送入計(jì)算機(jī)進(jìn)一步處理。實(shí)驗(yàn)工況參數(shù)由控制系統(tǒng)精確控制。為了減少環(huán)境對(duì)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

17、液滴流動(dòng)特性最重要的參數(shù)之一，常用的有算術(shù)平均粒徑( n)、面平均粒徑()、體平均粒徑(d30 = )和索太爾平均粒徑()，其中n為液滴總數(shù)。如果液滴均為同樣大小，則d10 = d20 = d30 = 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)式中：Qel為對(duì)實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，熱損失在280310 W/m2，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)式中：Tw,z為局部壁面溫度；Tb

18、,z為距離實(shí)驗(yàn)通道入口距離為z的蒸汽主流溫度，可利用通道進(jìn)出口的蒸汽溫度進(jìn)行線性插值得到19。對(duì)于汽霧兩相流動(dòng)換熱，在所測(cè)量的試驗(yàn)段長(zhǎng)度范圍內(nèi)，通道核心區(qū)域蒸汽的流動(dòng)處于飽和溫度下，可以近似認(rèn)為蒸汽在通道內(nèi)的平均溫度等于通道進(jìn)口處蒸汽的飽和溫度。PIV測(cè)試的結(jié)果顯示，在試驗(yàn)段通道出口有30%的液滴逃逸。因此，汽霧兩相流的局部換熱系數(shù)為(3)式中Tsat,i為通道進(jìn)口處蒸汽飽和溫度。根據(jù)式(3)，壁面過熱度定義為(4)由于離散相霧滴的質(zhì)量流量非常小(mw /ms 7%)，所以仍采用主流蒸汽質(zhì)量流量ms計(jì)算雷諾數(shù)，Re = ms D/(m WH)，局部努塞爾數(shù)Nu = hD /l，其中，D為通道水

19、力直徑，m 為蒸汽動(dòng)力黏度，l 為蒸汽的導(dǎo)熱系數(shù)。采用Kline和McClintock在文獻(xiàn)20中提出的方法分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果的誤差，雷諾數(shù)的不確定度為5.09%，努塞爾數(shù)的不確定度為6.43%3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與討論3.1 水滴輸運(yùn)特性從壓力霧化噴嘴噴射出來的微細(xì)水滴與主流蒸汽首先在混合腔中進(jìn)行充分混合，當(dāng)氣液兩相達(dá)到熱動(dòng)力學(xué)平衡狀態(tài)后，再?gòu)幕旌锨怀隹诮?jīng)過一段光滑的過渡通道進(jìn)入加熱試驗(yàn)段。當(dāng)主流蒸汽流量分別為39.1 kg/h(流動(dòng)速度為11.25 m/s)時(shí)，4 MPa壓力旋流噴嘴噴入2.5 kg/h的水霧，使用PIV對(duì)試驗(yàn)段進(jìn)口處的汽霧兩相流進(jìn)行測(cè)量，不同粒徑水滴的體積百分含量如圖5(a)，不同

20、粒徑水滴的速度分布如圖5(b)所示。由圖可見，在主流蒸汽流速一定的工況下，不同平均粒徑水滴的平均速度與通道中主流蒸汽幾乎相同。說明在本文的研究范圍內(nèi)，主流蒸汽攜帶的水滴粒子的流動(dòng)跟隨性很好。當(dāng)噴嘴壓力為4 MPa，主流蒸汽雷諾數(shù)為70 000時(shí)，不同壁面熱流密度下通道出口截面處水滴的平均粒徑和彌散液滴質(zhì)量流量變化分別如圖6所示。由圖可見，當(dāng)通道的熱流密度從5 kW/m2增圖5 不同粒徑水滴的體積百分含量及平均流動(dòng)速度分布Fig. 5 Volume friction and average velocity distribution of water droplet圖6 不同熱流密度下出口水滴平

21、均粒徑和質(zhì)量流量變化Fig. 6 average diameter and mass flow rate of water droplet versus heat flux加到23 kW/m2時(shí)，水滴的平均粒徑增大了大約17%，質(zhì)量流量減小約4.8%。這是因?yàn)樗蔚牧皆叫r(shí)，其表面積就越大，從而蒸發(fā)率越高。當(dāng)熱流密度一定時(shí)，粒徑較小的水滴粒子率先蒸發(fā)，逐漸剩下粒徑較大的水滴粒子，這導(dǎo)致離散相水滴的平均粒徑隨著熱流密度的增加而不斷增大。3.2 通道壁面溫度分布比較霧滴的粒徑參數(shù)顯著影響通道中汽霧兩相流的換熱特性。當(dāng)壓力旋流噴嘴壓力為4 MPa時(shí)，通道入口水滴平均粒徑隨蒸汽雷諾數(shù)變化的關(guān)系如圖7

22、所示。由圖可見，水滴的平均粒徑隨主流蒸汽雷諾數(shù)增大而增大。這說明隨著蒸汽流量的增加，平均粒徑較大的水滴更容易被攜帶入試驗(yàn)段。熱流密度、水霧與蒸汽的質(zhì)量流量比和主流蒸汽雷諾數(shù)對(duì)壁面溫度分布的影響如圖810所示。當(dāng)汽霧溫度115 ，壓力0.15 MPa，水霧與蒸汽的質(zhì)量流量比mw /ms = 1.5%，主流蒸汽進(jìn)口雷諾數(shù)Re = 70 000，水滴平均粒徑為54 mm時(shí)，熱流密度對(duì)通道下壁面中心線上的溫度分布影響如圖所示。由圖可見，汽霧兩相流冷卻與純蒸汽冷卻相比，二者壁面溫度分布趨勢(shì)存在差異。當(dāng)純蒸汽作為冷卻圖7 不同Reynolds數(shù)下入口水滴平均粒徑Fig. 7 Average diamete

23、r of water droplet at inlet versus Reynolds number圖8 熱流密度對(duì)壁面溫度分布的影響Fig. 8 Effect of heat flux on the wall temperature distribution圖9 水霧質(zhì)量流量比對(duì)壁面溫度分布的影響Fig. 9 Effect of water droplet mass flow rate ratio on the wall temperature distribution圖10 雷諾數(shù)對(duì)壁面溫度分布的影響Fig. 10 Effect of Reynolds number on the wall

24、 temperature distribution介質(zhì)時(shí)，壁溫隨軸向距離的增加而逐漸升高。當(dāng)加入質(zhì)量百分比為1.5%的水霧形成汽霧兩相流后，通道壁面整體溫度平均下降幅度約22%。在入口區(qū)域，汽霧與蒸汽冷卻下的壁溫相差較大。而在試驗(yàn)段中部區(qū)域(4.0 z/D 6.0)，在低熱流密度下(q = 10和15 kW/m2)，汽霧冷卻下壁面溫度在此區(qū)域內(nèi)緩慢下降；在高熱流密度下(20 kW/m2)，該區(qū)域內(nèi)壁面溫度幾乎保持不變。在下游區(qū)域，壁溫分布趨勢(shì)與蒸汽相似。由此可見，汽霧兩相流在加熱試驗(yàn)段中的換熱過程可能存在3個(gè)階段：第1個(gè)階段為進(jìn)口區(qū)域(z/D 4)，壁面溫度呈緩慢上升的趨勢(shì)，為過度沸騰段。由于

25、彌散液滴的沉降作用，通道中心區(qū)域的微小液滴發(fā)生徑向運(yùn)動(dòng)，向通道壁面附近聚集，在通道進(jìn)口區(qū)域存在液膜。液膜緊貼壁面運(yùn)動(dòng)一定距離后便會(huì)與壁面發(fā)生間歇性的分離，部分液膜被撕裂成塊狀或者變成大液泡，然后由于剪切應(yīng)力的作用被帶入主流中。間歇性分離液膜和主流發(fā)生相互作用使得換熱增強(qiáng)。第2階段為試驗(yàn)段中部區(qū)域(4.0 z/D 6.0)，壁面溫度上升的幅度增大，與處于充分發(fā)展段的蒸汽相似，此階段屬于干涸后彌散流。由于壁面過熱度在此區(qū)域相對(duì)較高，近壁面區(qū)域的液膜已經(jīng)完全蒸發(fā)汽化，液滴與高溫壁面直接接觸的概率大大降低。在相同的溫度、壓力、雷諾數(shù)和熱流密度下，當(dāng)質(zhì)量流量比從1.2%提高到6.5%，汽霧冷卻實(shí)驗(yàn)通道下

26、壁面溫度下降幅度平均提高7%，并且溫度沿軸向下降的幅度逐漸增大。當(dāng)雷諾數(shù)分別為10 000、26 000和70 000時(shí)，汽霧兩相流冷卻壁面溫度相對(duì)于蒸汽冷卻分別平均下降14%、16%和23%。3.3 通道壁面換熱系數(shù)分布比較對(duì)相同工況下汽霧兩相流和純蒸汽的換熱系數(shù)之比分布進(jìn)行比較，如圖11所示。由圖可見，Numist / Nusteam隨壁面熱流密度的增大而逐漸降低，隨主流蒸汽雷諾數(shù)和水霧質(zhì)量流量比增大而增大。在低熱流密度、高主流蒸汽雷諾數(shù)和高水霧質(zhì)量流量比下(q = 10 kW/m2，Re = 70 000，mw /ms = 6.7%)，Numist / Nusteam最大值為5.6，而在

27、高熱流密度、低Reynolds數(shù)和低水霧質(zhì)量流量比下(q = 12 kW/m2，Re = 10 000，mw /ms = 1.0%)，Numist /Nusteam最小值僅為1.08。由圖還可看出，沿著通道流向，Numist /Nusteam整體呈逐漸降低的趨勢(shì)，這是由于通道中的彌散水霧不斷蒸發(fā)汽化，使得汽霧兩相流的冷卻優(yōu)勢(shì)逐漸減弱。圖11 汽霧兩相流與純蒸汽的換熱系數(shù)之比的分布Fig. 11 Heat transfer coefficient ratio between mist/steam and steam但是在某些工況下(較低熱流密度、較高主流蒸汽雷諾數(shù)和水霧質(zhì)量流量比)，在通道中間區(qū)

28、域Numist / Nusteam會(huì)出現(xiàn)突然增加的現(xiàn)象。這是由于該區(qū)域發(fā)生大液滴沉降以及不穩(wěn)定蒸發(fā)，使得汽霧冷卻通道壁面的換熱顯著強(qiáng)化。通道是否發(fā)生大液滴沉降和不穩(wěn)定蒸發(fā)主要取決于通道壁面的過熱度。如果壁面過熱度很高，近壁區(qū)液膜在加熱試驗(yàn)段入口很快完全被蒸發(fā)汽化，液滴與壁面直接接觸的概率大大降低，就不會(huì)出現(xiàn)換熱強(qiáng)度大幅度增加的現(xiàn)象。設(shè) DTcr為通道壁面的臨界過熱度，當(dāng) DT DTcr時(shí)，通道壁面將保持部分濕潤(rùn)狀態(tài)，即此時(shí)汽霧兩相流在通道中的運(yùn)動(dòng)將出現(xiàn)明顯的大液滴沉降和蒸發(fā)，冷卻強(qiáng)化效果顯著。而當(dāng) DT DTcr時(shí)，通道中的汽霧兩相流處于干涸后傳熱階段，此時(shí)兩相流的換熱系數(shù)與大液滴沉降和蒸發(fā)階

29、段時(shí)相比，將會(huì)有所降低。一般 DTcr很難通過試驗(yàn)的方法獲得。據(jù)文獻(xiàn)14引入冷卻工況影響因子F，可較為便捷地對(duì)通道的冷卻情況進(jìn)行判斷。其表達(dá)式為(4)由式(4)可見，F(xiàn)可以使用直觀的工況控制參量通道壁面熱流密度q、主流蒸汽進(jìn)口雷諾數(shù)以及液滴質(zhì)量流量比mw /ms計(jì)算，其單位與熱流密度單位相同，可表征通道壁面被加熱的程度。通道壁面溫度分布取決于壁面的熱流密度和冷卻介質(zhì)的流動(dòng)情況，而由式(4)可知F正是通道加熱情況的直觀表示。因此當(dāng)F一定時(shí)，通道壁面的過熱度 DT也就一定。計(jì)算本文試驗(yàn)工況的F值，其結(jié)果如圖12所示。對(duì)F值進(jìn)行判斷，發(fā)現(xiàn)F的臨界值約為23。即當(dāng)F 23時(shí)，通道壁面的加熱工況更適宜于

30、汽霧冷卻，壁面中間區(qū)域?qū)⒊霈F(xiàn)換熱系數(shù)的二次增加。圖12 冷卻工況因子FFig. 12 Cooling factor F4 結(jié)論1）汽霧兩相流在模化的葉片內(nèi)冷通道中，液滴平均粒徑隨進(jìn)口雷諾數(shù)和通道壁面熱流密度的增加而增大，而液滴質(zhì)量流量則隨之而減小。2）向主流蒸汽中噴入少量細(xì)小的霧滴形成汽霧兩相流冷卻介質(zhì)，相對(duì)于蒸汽，其換熱系數(shù)顯著提高。換熱性能提高的幅度隨熱流密度的增大而減小，隨主流雷諾數(shù)和液滴質(zhì)量流量比的增大而增大。在低熱流密度、高主流蒸汽雷諾數(shù)和高水霧質(zhì)量流量比下(q = 10 kW/m2，Re = 70 000，mw /ms = 6.7%)，汽霧的平均努賽爾數(shù)是蒸汽的3.46倍，而在高熱

31、流密度、低Reynolds數(shù)和低水霧質(zhì)量流量比下(q = 12 kW/m2，Re = 10 000，mw /ms = 1.0%)，汽霧的平均努賽爾數(shù)也可達(dá)到蒸汽的1.08倍。3）對(duì)于本文的實(shí)驗(yàn)工況，當(dāng)冷卻工況影響因子F 23時(shí)，汽霧冷卻沿軸向的壁面溫度分布呈現(xiàn)逐漸升高的趨勢(shì)，與純蒸汽冷卻時(shí)的分布趨勢(shì)相似；而當(dāng)F 23時(shí)，在通道中部區(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。參考文獻(xiàn)1劉尚明，魏成亮，蒲星星，等一種計(jì)算燃?xì)廨啓C(jī)透平葉片溫度分布和冷卻空氣需求量的修正的解析模型J中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2012，32(14)：88-94Liu Shangming，Wei Chengliang，Pu

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