重型燃氣輪機是迄今為止效率最高的熱-功轉(zhuǎn)換類發(fā)電設備,它的研發(fā)制造水平代表了一個國家的重工業(yè)水平。燃氣輪機熱效率的提高主要通過提升透平進口溫度來實現(xiàn),目前先進燃氣輪機的透平進口溫度已遠超葉片材料的耐溫極限,高效透平冷卻技術(shù)是保證燃氣輪機可靠運行的關(guān)鍵,因此發(fā)展冷卻技術(shù)對于提高燃機效率有著極為重要的作用。尤其是透平動葉,其冷卻通常采用氣膜冷卻與內(nèi)部垂直帶肋通道組合的方式,帶肋通道對氣膜冷卻性能的影響是動葉冷卻設計必須考慮的因素。目前有關(guān)帶肋通道中的氣膜冷卻特性研究幾乎都采用具有圓形橫截面的氣膜孔,如圓柱孔和扇形孔,其氣膜冷卻特性與流動機理已較為清楚。而對于槽型截面孔,已有研究表明,相比于扇形擴張孔,其在腔進氣方式下?lián)碛懈玫臍饽だ鋮s效果,但其在垂直帶肋通道中的研究尚未開展,流動機理尚不明確。因此本文通過實驗和數(shù)值方法研究槽型截面孔在垂直帶肋通道中的氣膜冷卻特性。本文采用數(shù)值方法對比研究了典型扇形孔和槽型截面孔在垂直帶肋通道內(nèi)的氣膜冷卻特性。帶肋通道模型分為大肋間距和小肋間距兩類,即每個肋段分別包含兩個氣膜孔和一個氣膜孔。對兩類模型分別研究了槽型截面孔橫截面形狀影響和帶肋通道中肋角度影響。... 

【文章來源】：中國科學院大學(中國科學院工程熱物理研究所)北京市

【文章頁數(shù)】：111 頁

【學位級別】：碩士

【部分圖文】：

國外主要重型燃機產(chǎn)品透平進口溫度提高趨勢

3化示意圖。D級與F級燃機一級透平靜葉采用簡單的圓柱孔氣膜冷卻，結(jié)合內(nèi)部沖擊冷卻，構(gòu)成復合冷卻結(jié)構(gòu)；G級燃機一級透平靜葉采用扇形氣膜孔，進一步提高綜合冷卻效果；J級燃機一級透平靜葉采用了更高性能的扇形氣膜孔，以及全覆蓋氣膜冷卻技術(shù)，能夠在不提高相對冷氣量的條件下（從而減少對循環(huán)效率的負面影響），實現(xiàn)600~650℃的降溫。透平冷卻技術(shù)的發(fā)展，對重型燃機性能的提升有著重要貢獻。圖1-2提高透平進口溫度對透平冷卻技術(shù)帶來挑戰(zhàn)Figure1-2ChallengesofTurbineCoolingTechnologyRaisingTurbineInletTemperature圖1-3三菱重工D級到J級重型燃機一級透平靜葉冷卻結(jié)構(gòu)變化Figure1-3MitsubishiHeavyIndustriesD-to-J-classheavy-dutygasturbinefirst-stagecoolingbladecoolingstructurechanges

4圖1-4顯示了冷卻技術(shù)的發(fā)展對透平進口溫度提升的重要性。與葉片金屬材料耐溫能力的提升曲線相比，冷卻技術(shù)的不斷發(fā)展才使得透平進口溫度得到顯著的提升。進而提高燃氣輪機的整體效率。因此發(fā)展冷卻技術(shù)對于提高燃機效率有著極為重要的作用。圖1-4近年來透平進口溫度的變化Figure1-4Changesinturbineinlettemperatureinrecentyears常見的透平葉片冷卻方式有氣膜冷卻、沖擊冷卻、肋通道冷卻，以及柱肋冷卻。其中氣膜冷卻屬于外部冷卻，通過在葉片表面設置小孔將冷卻氣體以一定角度射入主流，在金屬表面形成一層冷氣膜隔絕高溫燃氣以及對金屬壁面進行冷卻。沖擊冷卻、肋通道冷卻，以及柱肋冷卻屬于內(nèi)部冷卻技術(shù)。沖擊冷卻是將冷卻氣體通過射流孔沖擊到內(nèi)表面進行冷卻，沖擊效應使得壁面溫度顯著降低，但同時造成較大的流動損失，多用于溫度較高的葉片前緣部分。肋通道冷卻通常在冷卻通道內(nèi)部設置擾流肋增強壁面的換熱能力。實際上，擾流肋的存在嚴重影響了壁面附近冷氣的流動狀態(tài)，使流動變得尤為復雜，邊界層不斷分離與重新附著，增強了換熱能力，同時造成了嚴重的流動損失。Han等[2][3][4]對于葉片中的帶肋通道做了較為詳盡的研究，對肋結(jié)構(gòu)的工作原理及肋形狀對換熱的影響做了系統(tǒng)研究。另外，擾流肋的存在對氣膜冷卻也同樣有顯著的影響。柱肋冷卻通道用于葉片尾緣，采用多排柱肋錯排的方式。流過柱肋附近的氣流柱沖擊柱肋使得換熱能力顯著增強。圖1-5為典型透平葉片結(jié)構(gòu)。目前透平動葉上主要采用內(nèi)部冷卻和外部氣膜冷卻相結(jié)合的冷卻方式。如圖1-6為三菱重工重型燃氣輪機動葉冷卻方式的發(fā)展。葉片前緣采用沖擊+對流+氣膜的復合冷卻方式；葉身采用內(nèi)部蛇形帶肋通道與外部高性能氣膜的復合冷卻方式；葉片尾緣采用帶有針肋結(jié)構(gòu)的劈縫冷卻?

【參考文獻】：
期刊論文
[1]基于熱色液晶的異型氣膜孔氣膜分布特征的可視化實驗[J]. 吳阿賽,朱惠人,劉存良,賀宜紅,盧聰明,張聰笑.  航空動力學報. 2015(02)
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[3]帶肋橫流通道中氣膜孔位置對氣膜冷卻特性的影響[J]. 李春林,朱惠人,白江濤,杜小琴,周雷聲.  航空動力學報. 2012(06)
[4]帶90°肋和雙排出流孔通道換熱特性的實驗[J]. 郭濤,朱惠人,許都純.  航空動力學報. 2010(10)
[5]冷卻流通道內(nèi)流動對氣膜冷卻影響的大渦模擬研究[J]. 彭威,姜培學.  工程熱物理學報. 2010(08)
[6]內(nèi)冷通道特性對外表面氣膜冷卻換熱影響研究[J]. 李春林,朱惠人,杜小琴,周雷聲.  汽輪機技術(shù). 2009(05)
[7]內(nèi)通道交錯橫流對氣膜冷卻效率的影響[J]. 白江濤,朱惠人,劉存良.  航空動力學報. 2008(08)
[8]收縮-擴張形氣膜孔提高氣膜冷卻效率的機理研究[J]. 劉存良,朱惠人,白江濤.  航空動力學報. 2008(04)
[9]帶60°肋和氣膜孔矩形通道換熱研究[J]. 李廣超,朱惠人,郭濤.  航空動力學報. 2006(06)
[10]不同出射角度對氣膜冷卻流場的影響[J]. 郭婷婷,金建國,李少華,王虎.  中國電機工程學報. 2006(16)

博士論文
[1]燃氣輪機透平氣膜冷卻機理的實驗與理論研究[D]. 李佳.清華大學 2011



本文編號：3264131