【摘要】：重型燃氣輪機標志著一個國家綜合國力以及重大技術的發(fā)展水平,性能要求高并且工作條件苛刻。由于燃氣輪機的熱效率隨著透平轉(zhuǎn)子進口溫度的提高而增加,運行溫度遠高于葉片的允許溫度,必須限制葉片材料的溫度水平和溫度變化,以保證葉片合理的使用壽命。采用有效的冷卻技術不僅能夠提高燃氣初溫,延長渦輪葉片壽命,而且對提高燃氣輪機的效率,保證機組安全穩(wěn)定運行,減少污染物的排放量,保護環(huán)境等具有重要的意義。蒸汽冷卻較空氣冷卻的優(yōu)點表現(xiàn)為：蒸汽的導熱性能要優(yōu)于空氣,其冷卻效率較高；不需要從壓氣機中抽取空氣,有利于提高壓氣機的效率,從而使燃氣輪機整機的效率有所提高。所以本文采用閉式蒸汽冷卻方式,通過流固耦合數(shù)值模擬計算,分析燃氣輪機第一級渦輪動葉片的冷卻特性。首先,根據(jù)不同的冷卻技術特點和渦輪動葉片各部位熱負荷以及形狀差異,設計了四種不同冷卻結構的渦輪動葉片,分別是：(1)尾緣具有順列擾流柱冷卻結構葉片；(2)尾緣具有錯列擾流柱冷卻結構葉片；(3)尾緣具有不均勻圓柱擾流柱冷卻結構葉片；(4)尾緣具有不均勻斜柱擾流柱冷卻結構葉片。之后應用SolidWorks軟件分別建立這四種冷卻結構葉片的物理模型。其次,在相同熱負荷及邊界條件下,利用FLUENT軟件分別對四種尾緣具有不同擾流柱冷卻結構葉片進行流固耦合數(shù)值模擬分析,分別對四種葉片的葉柵通道壓力及速度分布情況、葉片外壁面溫度分布情況、相對冷卻效果、最高溫度、平均溫度及平均相對冷卻效果進行比較,結果表明尾緣具有不均勻斜柱擾流柱冷卻結構葉片的冷卻效果最好。最后,針對冷卻效果最好的葉片模型進行溫度、壓力、質(zhì)量流量等不同工況下的流固耦合數(shù)值模擬,分析其傳熱與流動特性,得出不同工況下葉片的葉柵通道壓力及速度分布情況、葉片外壁面溫度分布情況、相對冷卻效果、最高溫度、平均溫度及平均相對冷卻效果的變化規(guī)律,分析出不同工況的變化對葉片冷卻效果的影響。為燃氣輪機渦輪葉片冷卻技術的研究提供參考。
[Abstract]:Heavy gas turbine marks the development level of a country's comprehensive national strength and major technology, high performance requirements and harsh working conditions. Because the thermal efficiency of gas turbine increases with the increase of inlet temperature of turbine rotor, the operating temperature is much higher than the allowable temperature of the blade, so the temperature level and temperature change of the blade material must be limited to ensure the reasonable service life of the blade. The effective cooling technology can not only improve the initial temperature of gas and prolong the life of turbine blade, but also improve the efficiency of gas turbine, ensure the safe and stable operation of the unit, reduce the emission of pollutants and protect the environment. The advantages of steam cooling compared with air cooling are as follows: the thermal conductivity of steam is better than that of air, and its cooling efficiency is higher, and it is not necessary to extract air from the compressor, which is helpful to improve the efficiency of the compressor. Thus, the efficiency of the gas turbine is improved. In this paper, the cooling characteristics of the first stage turbine blade of gas turbine are analyzed by using the closed steam cooling method and numerical simulation of fluid-solid coupling. Firstly, according to the characteristics of different cooling technology and the difference of heat load and shape of turbine blade, four kinds of turbine blades with different cooling structures are designed. (2) the tail edge has staggered spoiler cooling structure blade; (3) the tail edge has inhomogeneous cylindrical spoiler cooling structure blade; (4) the tail edge has uneven inclined column spoiler column cooling structure blade. Then the physical models of the four cooling structure blades were established by SolidWorks software. Secondly, under the same heat load and boundary condition, the fluid-solid coupling numerical simulation analysis of four kinds of cooling structure blades with different spoiler column is carried out by fluent software, and the pressure and velocity distribution of the cascade channel of the four kinds of blades are analyzed respectively. The relative cooling effect, the highest temperature, the average temperature and the average relative cooling effect are compared. The results show that the cooling effect of the blade with uneven oblique column spoiler column is the best. Finally, the fluid-solid coupling numerical simulation under different working conditions, such as temperature, pressure, mass flow rate and so on, is carried out to analyze the heat transfer and flow characteristics of the blade model with the best cooling effect. The pressure and velocity distribution of blade cascade channel, the distribution of outer wall temperature, the relative cooling effect, the maximum temperature, the average temperature and the average relative cooling effect of the blade under different working conditions are obtained, and the variation law of the blade outer wall temperature, the relative cooling effect, the average temperature and the average relative cooling effect are obtained. The influence of different working conditions on blade cooling effect was analyzed. It provides a reference for the research of turbine blade cooling technology of gas turbine.
【學位授予單位】：華北電力大學(北京)
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TK472

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本文編號：2120453