【摘要】：燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室過渡段是承接燃燒室火焰筒與透平進(jìn)口的連接部件,燃?xì)廨啓C(jī)“先加熱后降溫”的工作原理使過渡段極易產(chǎn)生熱疲勞和燒蝕等現(xiàn)象。而現(xiàn)代工業(yè)對燃?xì)廨啓C(jī)使用效率的更高追求導(dǎo)致燃?xì)鉁囟炔粩嗌?熱部件工作環(huán)境不斷惡化。因此,如何對過渡段等關(guān)鍵熱部件進(jìn)行有效熱防護(hù)是燃?xì)廨啓C(jī)領(lǐng)域今后的主要研究方向。本文以過渡段作為研究對象,通過計算流體力學(xué)仿真分析的方法,結(jié)合沙丘成形理論設(shè)計了沖擊冷卻中加入沙丘形肋式擾流結(jié)構(gòu)的新型復(fù)合冷卻方式,主要進(jìn)行的工作如下:(1)建立帶有沙丘形肋式結(jié)構(gòu)換熱表面的雙腔式過渡段簡化模型。首先根據(jù)Andreotti的二維新月形沙丘輸運(yùn)模型繪制沙丘剖面曲線。隨后建立沙丘剖面形狀的肋式擾流結(jié)構(gòu)模型并將其縮放應(yīng)用于燃?xì)廨啓C(jī)過渡段簡化模型中。最后建立相同結(jié)構(gòu)參數(shù)的拱形、矩形肋式結(jié)構(gòu)換熱表面以及不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的沙丘形肋式結(jié)構(gòu)表面。(2)沙丘形與多種肋式結(jié)構(gòu)換熱表面換熱特性分析。在某F級重型燃?xì)廨啓C(jī)的實際工況下,應(yīng)用計算流體力學(xué)軟件分別對光滑、拱形、矩形及沙丘形肋式結(jié)構(gòu)換熱表面進(jìn)行有限體積法(FVM)仿真分析。主要對三種肋式結(jié)構(gòu)的流場特性,壓力損失及換熱機(jī)理進(jìn)行探討。結(jié)果表明:在本文工況下,相比拱形和矩形,沙丘形肋式結(jié)構(gòu)表面具有更優(yōu)的換熱效果及更低的流阻。先凹后凸的表面曲線是沙丘形肋式結(jié)構(gòu)能以較小的流阻帶來較強(qiáng)換熱性能的主要原因之一。(3)沙丘形肋式結(jié)構(gòu)參數(shù)對沖擊冷卻的關(guān)鍵技術(shù)研究。分別討論了沖擊孔與沙丘形肋式結(jié)構(gòu)間距L(30、40、50、60、70mm),肋高與腔體高之比H/D(0.18、0.23、0.34)對沙丘形肋式結(jié)構(gòu)換熱性能的影響。結(jié)果表明:L=30,H/D=0.23的沙丘形肋式結(jié)構(gòu)具有更好的綜合性能,合適的H/D可以使冷卻介質(zhì)貼附沙丘形肋式結(jié)構(gòu)流動,對改善局部過熱有較好的效果。
【圖文】：

圖 1.1 透平進(jìn)口溫度與輸出功率的發(fā)展趨勢燃?xì)廨啓C(jī)透平技術(shù)的不斷改進(jìn)和工藝水平的提升換代使得燃?xì)廨啓C(jī)在輸出功率方面有了長足而巨大的發(fā)展，卻也帶來了更加惡劣的燃機(jī)運(yùn)行環(huán)境。如圖 1.1所示，燃?xì)廨啓C(jī)效率的提升與燃汽輪機(jī)透平進(jìn)口溫度的增長有著直接而密切的聯(lián)系。據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計顯示[4]，在燃機(jī)尺寸不變的條件下，透平入口溫度每提高100℃，透平推力可提高約 25%，燃料的消耗則能下降約 7%。目前 F 級燃汽輪機(jī)多采用化石燃料燃燒方式，通過透平及過渡段冷卻的燃?xì)鉁囟仍?300K左右。雖然燃機(jī)的渦輪進(jìn)口溫度暫未達(dá)到燃料的燃燒極限溫度，但燃機(jī)內(nèi)部高溫部件結(jié)構(gòu)和材料仍面臨著極大的考驗。如圖 1.2 所示，熱疲勞、熱燒蝕是大型燃?xì)廨啓C(jī)在使用過程中的多發(fā)故障，所造成的緊急停機(jī)、拆換關(guān)鍵部件不僅耗資巨大且對生產(chǎn)安全造成了潛在的威脅。因此，如何在提高燃機(jī)熱效率的同時對關(guān)鍵熱部件進(jìn)行防護(hù)、降低能耗、延長機(jī)器使用壽命已成為加快我國燃機(jī)技術(shù)自主研發(fā)進(jìn)程，

圖 1.2 熱部件疲勞裂紋及熱燒蝕對于燃?xì)鉁囟冗^高所帶來的一系列問題，目前的主流解決方式有兩種：一提高高溫部件材料的耐熱性，發(fā)展高性能耐熱合金；二是采用先進(jìn)的冷卻技術(shù)以少量的冷卻介質(zhì)獲得更好的降溫效果。先進(jìn)的燃?xì)廨啓C(jī)在超高溫（2500°2600°F）的工況下運(yùn)行以提高熱效率和輸出功率，，已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了普通材料耐熱極限。據(jù)統(tǒng)計[5]，歷年來燃機(jī)透平進(jìn)口溫度以平均每年 20℃速度提升，而屬材料的耐熱性能則平均每年增加 8℃的趨勢來看，其余的溫升則完全得益于卻技術(shù)的進(jìn)步。隨著現(xiàn)代工業(yè)對于先進(jìn)冷卻技術(shù)需求的不斷提升，單一的對流熱冷卻方法已經(jīng)無法滿足實際工況需要，多種冷卻方式復(fù)合應(yīng)用才是當(dāng)今的研發(fā)展趨勢。圖 1.3 展示了透平溫度不斷升高所帶來的渦輪葉片冷卻方式變革。前，燃?xì)廨啓C(jī)相關(guān)高溫部件的冷卻方式主要為內(nèi)部冷卻，其中包括射流沖擊冷卻薄膜冷卻和添加表面熱功能結(jié)構(gòu)等。冷卻技術(shù)的選擇和應(yīng)用對整個燃機(jī)效率的
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TK473

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 周濟(jì);;智能制造——“中國制造2025”的主攻方向[J];中國機(jī)械工程;2015年17期

2 謝超;谷正氣;楊振東;宗軼琦;楊曉濤;羅澤敏;;不同RANS/LES混合模型的汽車氣動噪聲分析[J];汽車工程;2015年04期

3 呂萍;董治寶;;沙丘動力學(xué)數(shù)值模擬研究方法綜述(Ⅰ):沙丘周圍流場模擬[J];中國沙漠;2015年03期

4 蔣洪德;任靜;李雪英;譚勤學(xué);;重型燃?xì)廨啓C(jī)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J];中國電機(jī)工程學(xué)報;2014年29期

5 吳晶峰;蔣洪德;;重型燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室過渡段氣動造型設(shè)計及性能分析[J];中國電機(jī)工程學(xué)報;2013年17期

6 徐濤;于征磊;張煒;王志明;李俊樓;左文杰;;燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室過渡段冷卻結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化設(shè)計[J];吉林大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版);2012年04期

7 蔣洪德;;加速推進(jìn)重型燃?xì)廨啓C(jī)核心技術(shù)研究開發(fā)和國產(chǎn)化[J];動力工程學(xué)報;2011年08期

8 劉敏珊;楊帆;董其伍;謝建;;流體橫掠管束模擬中壁面函數(shù)影響研究[J];熱能動力工程;2010年05期

9 韓宇萌;王新軍;仇璐珂;俞茂錚;趙世全;賈文;艾松;;陣列射流沖擊冷卻換熱特性的數(shù)值研究[J];汽輪機(jī)技術(shù);2010年03期

10 闞瑞;陳偉;任靜;蔣洪德;;梯形帶肋內(nèi)部冷卻通道的流動及傳熱特性[J];工程熱物理學(xué)報;2010年05期

本文編號：2669711