复杂内冷透平动叶中流动与换热研究

论文摘要

先进的燃气轮机叶片冷却技术可以使叶片承受更高的透平进口燃气温度，增加冷却叶片的安全性和持久性，提高燃气轮机性能。本文对某重型燃气轮机透平中综合采用的带肋蛇形通道、涡流矩阵通道和叶尖孔等冷却结构进行了流动与换热特性研究。分别采用数值模拟和基于热色液晶瞬态测温技术的实验方法对单独的带肋直通道和涡流矩阵通道进行了研究，并在验证了数值模拟方法可靠性的基础上对旋转蛇行通道进行了数值研究，最后采用数值模拟方法对具有带肋蛇形通道、涡流矩阵通道和叶尖孔的动叶片进行了气—热耦合研究。带肋直通道中扰流肋片具有强化换热作用。在原始带有单一尺寸肋片通道中的适当位置加入小肋片，通道换热性能得到提高的同时，流动阻力系数也可能会下降，数值模拟与实验结果显示交替大小肋片通道具有较好的综合强化换热能力。在旋转非对称两流程蛇形通道中，从带肋壁面的换热系数和通道内的流动规律着手，对比相同尺寸模型的光滑蛇形通道与静止带肋蛇形通道的数值模拟结果，发现进口段中的单侧肋片对其中的流动与换热起主导作用；在出口段中，科氏力的作用逐渐显现，使通道中涡的形状发生变化，在局部地方使当地的涡系结构发生变化；在强化换热方面，旋转因素使出口段的前缘面和后缘面的换热能力都得到加强，科氏力使后缘面的加强幅度更大。影响涡流矩阵通道中流动与换热性能的主要几何参数有三个：肋宽-肋高比b/h、肋宽-肋间距比b/p和肋片倾斜角β。通过对七个模型的实验研究和数值模拟发现，通道的流动阻力系数随b/h值的增大而减小，随b/p值的增大而增大，随β的增大而增大，而换热能力随这三个参数的变化不呈单调变化趋势。某重型燃气轮机第一级透平动叶综合使用了上述带肋蛇形通道、涡流矩阵通道等冷却结构，并带有叶尖孔。通过改变模型中涡流矩阵通道的肋片尺寸、叶尖孔、叶尖内部间隙以及叶顶间隙等，考察各结构对冷却和流动带来的影响与作用。采用气—热耦合方法得到的结果显示各部分既分别展现自身特性，还相互产生影响。内冷结构对出口处的气流角、总温分布有一定的影响，对叶片负荷的影响不大。随着肋片宽度和间距的减小，对应区域叶片温度场趋于均匀。在考虑叶顶间隙的情况下，从叶尖孔喷出的冷气能对叶尖前缘和叶尖中部区域进行有效的冷却。叶尖内部间隙结构能促进涡流矩阵通道中靠吸力面一侧的子通道内的流动，改善对吸力面的冷却，在考虑叶顶间隙的情况下，从叶尖内部间隙流过的冷气能对叶尖尾缘进行十分必要和有效的冷却。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 燃气轮机叶片冷却技术
• 1.2 国内外研究进展
• 1.2.1 内部冷却技术研究进展
• 1.2.1.1 蛇形通道研究进展
• 1.2.1.2 涡流矩阵通道研究进展
• 1.2.2 冷气掺混研究进展
• 1.2.3 叶顶间隙对叶栅通道影响的研究进展
• 1.2.4 研究方法的进展
• 1.2.4.1 热色液晶测温技术及其在换热实验中的应用
• 1.2.4.2 CFD在冷却技术中的应用
• 1.3 本文主要研究内容及论文结构
• 第二章 热色液晶测温实验装置及测试系统
• 2.1 热色液晶测温技术
• 2.1.1 热色液晶测温原理
• 2.1.2 热色液晶测温的影响因素及其标定
• 2.2 热色液晶瞬态实验原理
• 2.3 实验台介绍
• 2.4 误差分析
• 2.5 本章小结
• 第三章 带肋直通道中流动与换热特性的数值模拟与实验研究
• 3.1 带肋直通道的数值研究
• 3.1.1 直通道物理模型
• 3.1.2 数值模拟方案
• 3.1.3 湍流模型的选择与网格设置
• 3.1.4 带肋直通道各工况数值模拟结果
• 3.1.5 带有大、小肋片直通道的数值研究
• 3.2 各带肋直通道中流动与换热特性的实验研究
• 3.2.1 实验数据处理方法
• 3.2.2 实验结果及与数值模拟结果的对比分析
• 3.3 本章小结
• 第四章 旋转非对称蛇形带肋通道中流动与换热特性的数值模拟
• 4.1 物理模型
• 4.2 数值模拟方案
• 4.3 数值模拟结果及分析
• 4.3.1 流场特性结果及分析
• 4.3.2 换热特性结果及分析
• 4.4 本章小结
• 第五章 涡流矩阵通道中流动与换热特性的实验研究与数值模拟
• 5.1 涡流矩阵通道模型
• 5.2 实验结果及分析
• 5.2.1 不同b/h对通道中流动与换热性能的影响
• 5.2.1.1 不同b/h对换热特性的影响
• 5.2.1.2 不同b/h对流阻特性的影响
• 5.2.1.3 不同b/h对综合强化换热性能的影响
• 5.2.2 不同b/p对通道中流动与换热性能的影响
• 5.2.2.1 不同b/p对换热特性的影响
• 5.2.2.2 不同b/p对流阻特性的影响
• 5.2.2.3 不同b/p对综合强化换热性能的影响
• 5.2.3 不同β对通道中流动与换热性能的影响
• 5.2.3.1 不同β对换热特性的影响
• 5.2.3.2 不同β对流阻特性的影响
• 5.2.3.3 不同β对综合强化换热性能的影响
• 5.3 数值模拟结果及分析
• 5.3.1 不b/h对通道中流动与换热特性的影响
• 5.3.1.1 不同b/h对换热特性的影响
• 5.3.1.2 不同b/h对流动特性的影响
• 5.3.1.3 不同b/h对综合强化换热系数的影响
• 5.3.2 不同b/p对通道中流动与换热特性的影响
• 5.3.2.1 不同b/p对换热特性的影响
• 5.3.2.2 不同b/p对流动特性的影响
• 5.3.2.3 不同b/p对综合强化换热系数的影响
• 5.3.3 不同β对通道中流动与换热特性的影响
• 5.3.3.1 不同β对换热特性的影响
• 5.3.3.2 不同β对流动特性的影响
• 5.3.3.3 不同β对综合强化换热系数的影响
• 5.4 本章小结
• 第六章 某重型燃机一级透平动叶流动与换热特性的气-热耦合数值模拟
• 6.1 气—热耦合方法在数值模拟中的应用
• 6.2 某重型燃气轮机第一级透平动叶简介
• 6.3 数值模拟方案
• 6.3.1 计算方案
• 6.3.2 数值方法
• 6.3.3 边界条件
• 6.4 流动与换热特性分析
• 6.4.1 冷却结构的效果与影响
• 6.4.2 无顶部间隙冷却叶栅中流动与换热特性分析
• 6.4.3 叶顶间隙对流动与换热特性的影响
• 6.5 本章小结
• 第七章 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 本文创新点
• 7.3 未来工作展望
• 主要符号表
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文
• 攻读博士学位期间申请和已获得授权专利
• 致谢