某重型燃机第一级动叶冷却结构设计及优化

论文摘要

燃气轮机设备自20世纪40年代以来不断蓬勃发展,现已在航空器推进、陆用发电及其它相关领域中被广泛采用。出于提高航空器推重比、降低发电机组燃料损耗及减小占用空间等不同目的,人们对燃气轮机性能的要求不断提高。但其热端部件——涡轮如果连续运行在高温下,热疲劳极限会逐渐降低,继而影响燃气轮机的可靠性及寿命。解决高温问题的方法大体可分为两类:提高材料耐热性能;采用适当热防护技术。现常针对涡轮叶片各部分不同的工作环境及几何参数,将几种基本冷却方式叠加、组合,用适量空气作为冷却介质通入叶片内部进行冷却。随着硬件平台计算能力的不断提升,以数值计算方式研究结构复杂的燃气轮机气冷叶片相关问题成为了可能。本文以气热耦合数值模拟计算方式对某重型燃气轮机一级动叶展开气动及传热研究。首先,考虑到叶片计算任务具有大致类似的前期准备工作,文中较为具体的给出了方案二动叶叶片模型的处理流程及统计信息。其次,以继续优化内部冷却设计方案为目的,采用实际工况条件展开对不同扰流肋形式冷却效率的探讨工作。为方便将原计算结果与改型计算结果进行比较,最后对流场分析相关内容展开讨论。最终确定的原一级动叶叶片内部冷却设计方案已能够符合提出的设计目标,叶片表面温度趋于合理,冷气入口参数可以保证。而改型内冷结构在该基础上再次提升了整体与局部的冷却能力。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题来源
• 1.2 课题背景与研究意义
• 1.3 涡轮冷却技术简介
• 1.3.1 涡轮冷却技术发展历程
• 1.3.2 常用涡轮冷却技术
• 1.3.3 典型冷却结构设计方案
• 1.4 气热耦合数值计算简介
• 1.4.1 CFD 技术的发展方向
• 1.4.2 计算程序概述
• 1.4.3 湍流模型概述
• 1.5 本文主要研究内容
• 1.6 本章小结
• 第2章 数值计算求解方法
• 2.1 引言
• 2.2 控制方程
• 2.2.1 流体部分
• 2.2.2 固体部分
• 2.3 湍流雷诺平均处理
• 2.4 湍流模型
• 2.4.1 基于涡粘性假设的标准k-ε模型
• 2.4.2 SSG 雷诺应力湍流模型
• 2.4.3 旋转运动的影响
• 2.5 多组分流计算
• 2.6 离散方法
• 2.7 本章小结
• 第3章 几何模型的构建及网格生成
• 3.1 引言
• 3.2 动叶叶片几何模型构建
• 3.2.1 UG NX 简介
• 3.2.2 模型生成及结构特点
• 3.2.3 几何模型的调整
• 3.2.4 流体部分模型介绍
• 3.3 网格生成
• 3.3.1 计算域划分方案
• 3.3.2 各计算域节点分布
• 3.4 多组分计算工况设定
• 3.5 本章小结
• 第4章 冷却结构方案的优化讨论
• 4.1 引言
• 4.2 扰流肋结构相关讨论
• 4.2.1 参数介绍及分析
• 4.2.2 单通道模型生成
• 4.2.3 网格生成
• 4.2.4 边界条件设定
• 4.2.5 不同肋间距的影响
• 4.2.6 不同肋形式的影响
• 4.3 本章小结
• 第5章 数值计算结果对比分析
• 5.1 引言
• 5.2 原计算结果分析
• 5.2.1 叶片及主流流场分析
• 5.2.2 叶片及内部流场分析
• 5.2.3 原计算结果分析小结
• 5.3 改型计算结果分析
• 5.3.1 改型算例结构介绍及相关统计信息
• 5.3.2 叶片及主流流域分析
• 5.3.3 内部流场分析
• 5.3.4 改型计算结果分析小结
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文
• 致谢