本文關鍵詞：渦輪發(fā)動機三維多場耦合數(shù)值仿真的數(shù)學模型，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

《中國科學院研究生院（工程熱物理研究所）》 2012年

燃氣透平動葉閉式蒸汽冷卻方法研究

李鵬  

【摘要】：燃氣輪機作為一種重要的動力設備,廣泛應用于航空推進、地面發(fā)電以及其他工業(yè)領域。提高透平進口溫度是增加燃氣輪機熱效率的重要手段,但受限于葉片耐高溫材料的發(fā)展,先進冷卻技術的應用成為提高透平進口溫度的主要手段。閉式蒸汽冷卻技術使用熱物性更優(yōu)的過熱蒸汽,通過葉片內(nèi)部的閉式流路對葉片進行冷卻,相比空氣冷卻,減少了冷氣的使用量,避免了冷氣與主流的摻混損失,有利于提高機組的熱效率。公開的文獻中葉片閉式蒸汽冷卻整體結(jié)構(gòu)設計資料較少,本文的目的在于實現(xiàn)對某重型燃氣輪機透平動葉的閉式蒸汽冷卻改型設計。 利用C3X葉片換熱實驗的實驗數(shù)據(jù),運用商業(yè)軟件CFX進行了氣熱耦合數(shù)值模擬校核,分析了不同湍流模型、冷卻通道冷氣進口湍流度等因素對耦合計算結(jié)果的影響。結(jié)果表明,氣熱耦合計算能夠準確預測葉柵通道的流動情況,受湍流模型影響較小,也能預測葉片換熱情況,但受湍流模型影響較大�？紤]轉(zhuǎn)捩流動特性的SSTγ-θ轉(zhuǎn)捩模型對葉片換熱的預測結(jié)果相比更為接近實驗值,能夠較為準確的預測葉片吸力面上邊界層的轉(zhuǎn)捩流動現(xiàn)象對葉片表面換熱的影響,但其仍然存在預測的轉(zhuǎn)捩位置靠后等問題。冷卻通道冷氣進口湍流度對透平葉片氣熱耦合換熱計算的準確性具有較大影響。在冷卻通道壁面上施加冷氣溫度和換熱系數(shù)的第三類熱邊界條件,可以將C3X直葉柵三維氣熱耦合模擬轉(zhuǎn)化為二維耦合計算,節(jié)省計算資源。但通過換熱系數(shù)準則關系式獲取的換熱系數(shù)值偏大,換熱計算結(jié)果的準確性降低。 透平動葉因葉頂間隙的存在而呈現(xiàn)出與靜葉有所差異的流動和換熱特性,在對GE-E3平面葉柵葉頂換熱實驗進行數(shù)值模擬校核的基礎上,數(shù)值研究了透平實際旋轉(zhuǎn)工作環(huán)境中,4種不同葉頂結(jié)構(gòu)對動葉頂部的流動和換熱的影響。通過分析葉頂間隙泄漏流場結(jié)構(gòu)、葉片壓力分布以及通道中的損失、出口氣流角等情況,發(fā)現(xiàn)葉頂結(jié)構(gòu)的不同使得泄漏流場結(jié)構(gòu)不同,引起流出間隙的泄漏渦與通道馬蹄渦也不盡相同,進而改變了吸力面上葉頂附近的壓力分布以及通道中的損失等情況,其中凹槽結(jié)構(gòu)所具有的損失最小,密封性能也最好。葉頂表面換熱系數(shù)分布與葉頂間隙內(nèi)的流動相對應。相比平葉頂結(jié)構(gòu),葉頂肩壁結(jié)構(gòu)的使用降低了葉頂?shù)钠骄鶕Q熱系數(shù),其中吸力面肩壁結(jié)構(gòu)表現(xiàn)最好,但肩壁表面的換熱系數(shù)也通常較高。分析葉片外表面的換熱系數(shù)分布,發(fā)現(xiàn)葉頂具有整個葉片表面最強的換熱,在動葉冷卻結(jié)構(gòu)設計中應予以足夠重視。 對具有復雜冷卻結(jié)構(gòu)的原型空氣冷卻動葉進行了整體氣熱耦合計算,分析了葉片葉頂附近的流動和葉片的換熱特性,表明原型氣冷結(jié)構(gòu)基本能夠為該葉片提供較好的保護。根據(jù)葉片表面熱載荷的分布,對該葉片進行了閉式蒸汽冷卻初始改型設計,針對初始設計中存在的問題,相應的給出改進設計,結(jié)果表明,采用平葉頂、內(nèi)部為蛇形通道和尾緣多排錯列柱肋結(jié)構(gòu)的閉式結(jié)構(gòu)能夠滿足葉片閉式蒸汽冷卻要求,同時能夠提高透平的氣動性能。

【關鍵詞】：
【學位授予單位】：中國科學院研究生院（工程熱物理研究所）
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2012
【分類號】：TK471
【目錄】：

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