【摘要】：近半個多世紀以來,為了盡可能追求更高的輸出功率或者更大的推力,燃氣透平發(fā)動機的進口溫度不斷地上升。目前,先進的燃氣透平運行溫度早已遠遠超出現(xiàn)有透平葉片材料的使用溫度。為了提高透平高溫部件在高溫、高壓下的使用壽命,人們不斷研發(fā)更加先進的冷卻技術(shù)。采用內(nèi)部對流、撞擊冷卻和外部氣膜冷卻相結(jié)合的方法是延長葉片壽命的有效途徑,但是,由于氣膜冷卻中所采用的冷卻氣體是從壓氣機中抽取,因此大量使用冷卻氣體會降低透平整體效率。在葉片冷卻設(shè)計中,為了減少高溫燃氣的對葉片的傳熱,熱障涂層(TBC)與氣膜冷卻相結(jié)合的方法是十分有效的。本論文對現(xiàn)代燃氣透平葉片在真實運行工況下的冷卻特性進行數(shù)值模擬,這一工作的創(chuàng)新點在于:用流-固耦合換熱(CHT)數(shù)值分析方法,同時呈現(xiàn)氣膜冷卻和TBC在不同湍流強度(Tu)下的綜合作用。與以往的葉片冷卻特性數(shù)值模擬相比,這一工作的特點是:1)使用CHT數(shù)值分析方法,針對具有TBC與前緣噴淋氣膜冷卻的葉片和全身氣膜冷卻的葉片,研究不同主流Tu對其綜合冷卻特性的影響。2)這項研究可以為燃氣輪機設(shè)計人員和研究者提供相對全面的參考,以獲得更好的冷卻特性理解和最佳熱障涂層策略。因為數(shù)值結(jié)果表明:在葉片的前緣、尾緣、壓力面及吸力面不同的區(qū)域,在不同的Tu下,TBC與氣膜冷卻的組合表現(xiàn)出不同的熱防護特性。本文主要研究工作包括:采用CFD軟件ANSYS FLUENT,通過數(shù)值計算方法,研究湍流強度對透平葉片氣膜冷卻特性的影響。所用的兩種葉片模型均選自Timko報告(NASA CR-168289)并稍作簡化。它們分別為:前緣淋浴頭式氣膜冷卻葉片和遍布葉片全身的氣膜冷卻。首先,本文討論了 5組兩方程湍流模型(Standard k-ε,RNG k-ε,Realizable k-ε,Standard k-ω和SST k-ω)在透平機械流動和傳熱數(shù)值計算中的適用性,分析三組主流湍流強度(Tu=3.3,10,20%)下前緣噴淋式氣膜冷卻,無TBC葉片在絕熱壁面條件下的氣膜冷卻計算結(jié)果。通過比較得出如下結(jié)論:1)用這5組湍流模型計算得到的絕熱氣膜冷卻效率在壓力側(cè)上均稍低于吸力側(cè)。2)在葉片的前緣和壓力側(cè),由不同湍流模型計算得到的絕熱氣膜冷卻效率存在一定差異。3)由RNG k-ε,Realizable k-ε和SST k-ω湍流模型得到的氣膜冷卻效率較為相近,其中RNG k-ε和SST k-ω更為接近。4)在吸力側(cè),除了翼展高度8%處絕熱氣膜效率隨Tu增加而降低,其它地方絕熱氣膜效率隨Tu增加而上升。5)在壓力側(cè)靠近尾緣區(qū)域,絕熱壁面上冷氣的擴散長度隨Tu增加而減短,但由不同湍流模型得到的氣膜覆蓋的效果并不同。由于SST k-ω湍流模型被許多學(xué)者用來研究跨音速葉片上氣膜冷卻特性,并以取得較好結(jié)果,因此在本文中為了簡化計算,僅選取SST k-ω湍流模型并結(jié)合CHT數(shù)值分析方法,來模擬三組主流湍流強度(Tu=3.3,10,20%)對前緣噴淋式氣膜冷卻、無TBC葉片的對冷卻葉片綜合冷卻特性的影響,同時將結(jié)果與絕熱氣膜冷卻效率相比。由數(shù)值結(jié)果可得到下列結(jié)論:1)以流-固耦合計算方法得到的綜合冷卻效率隨著Tu增加而降低,并且壓力側(cè)的降低程度比吸力側(cè)更加顯著。2)在葉片前緣區(qū)域,當Tu增加時,在氣膜孔出口附近綜合冷卻效率降低,但絕熱氣膜冷卻效率增加。同時,在該區(qū)域,隨著Tu的變化,綜合低冷卻效率區(qū)域的位置發(fā)生明顯變化。3)在三個主流Tu下,與絕熱氣膜效率相比,葉片上的綜合冷卻效率在絕大部分葉片上均高于絕熱氣膜冷卻效率,且更顯均勻。最后,選取CHT數(shù)值分析方法和SST k-ω湍流模型,詳細討論在三組湍流強度(Tu =3.3,10,and 20%)下采用TBC與氣膜冷卻組合的冷卻方法來計算前緣噴淋式葉片和全氣膜冷卻葉片的綜合冷卻特性,并得到如下有益結(jié)論。對于前緣噴淋式氣膜冷卻與TBC的組合葉片:1)TBC在前緣及其附近有很好的隔熱作用,并隨著湍流強度增加而隔熱效果更為明顯。在最高湍流強度下,絕熱涂層能降低葉片接近端壁的表面溫度40-42K,相當于25%的綜合冷卻效率。2)對于所有主流Tu,TBC的隔熱效果均在葉片靠近下端壁最佳,并沿著翼展高度方向呈現(xiàn)降低趨勢。3)TBC在靠近葉片前緣的壓力側(cè)的效果高于吸力側(cè),并隨著Tu的增加,效果更為顯著。4)同樣,在氣膜孔出口附近,TBC可能對綜合冷卻效率產(chǎn)生負作用,原因是TBC阻止了高溫葉片將熱量傳遞給較低溫度的主流和冷氣的混合區(qū)。對于全氣膜與TBC組合葉片:1)在三組湍流強度條件下,雖然TBC均會顯著增加綜合冷卻效率,但并不改變冷卻效率分布趨勢。對于當前葉片,與吸力側(cè)相比,TBC在壓力側(cè)的隔熱效果更好。2)葉片的TBC會增加氣膜冷卻效率不高區(qū)域的隔熱效果,如葉片頂部和下端壁附近,在湍流強度20%時增加24%的耦合冷卻效率(降低溫度約38K)。3)葉片的TBC表現(xiàn)在原氣膜冷卻效果較好的區(qū)域并不理想,例如,在氣膜孔出口附近、吸力側(cè)的擴張孔的下游區(qū)域以及尾緣區(qū)域。4)雖然TBC能阻礙高溫氣流向葉片傳熱,但也能阻礙葉片向較低溫度的冷氣與主流混合區(qū)傳熱,而且隨著湍流強度增加,這種阻礙效果更加明顯。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TK471

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本文編號：2273277