蒸汽冷却叶片强化换热研究

论文摘要

开发先进高效涡轮叶片冷却技术,是发展现代先进燃气轮机的关键技术之一。蒸汽冷却叶片与传统的空气冷却叶片相比有诸多优点:一方面,蒸汽的热容性能优于空气,其冷却效率能保证叶片可承受更高的燃烧温度;另一方面,蒸汽冷却技术的应用可以减少压气机中空气的抽取量,有利于提高燃气轮机及联合循环的热效率。本文应用Pro/E和ICEM软件建立几何模型及其计算网格,并利用全三维数值模拟软件Fluent对涡轮叶片冷却流场进行了数值模拟,计算中采用标准k-ε双方程湍流模型和SIMPLE算法。具体工作如下:1.单孔平板气膜冷却和阵列针肋通道的数值模拟。考察了不同吹风比时的绝热温比,发现M=0.5时气膜冷却的效果最好。增大进口雷诺数,两种排列的针肋通道强化换热效果都随之加强,顺列针肋的加强效果更明显。2.气膜-针肋复合式冷却叶片的数值模拟。在上述研究的基础上,根据某涡轮第一级导叶设计了气膜-针肋复合式冷却叶片,优化设计了气膜排孔的位置、孔径和针肋的排列方式,达到了较好的冷却效果。叶片表面温度随着冷却空气的增加而降低,不同气膜排孔之间绝热温比的分布并不均匀。3.冲击-肋片式蒸汽冷却叶片的数值模拟。对喷射冷却孔的位置、角度和直径进行改进,用最少的冷却蒸汽来达到冷却要求。增大蒸汽质量流量时叶片表面温度随之降低,降低的趋势越来越小。增大或减小主燃气攻角使得气膜-针肋复合冷却叶片冷却效果变差,而对冲击-肋片式蒸汽冷却叶片几乎没有影响;两种叶片在使用蒸汽作为冷却工质时的壁面温度都比使用空气冷却时降低,冲击-肋片式蒸汽冷却叶片的壁面整体温度均匀降低了大约70K:而气膜-针肋复合式冷却叶片在前缘部分、气膜孔附近的壁面和叶片尾缘部分温度大约下降了100K,而在气膜覆盖的叶片壁面温度下降大约为30K;对两种叶片进行分析比较,结果表明冲击-肋片式蒸汽冷却叶片有更好的冷却效果。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究的目的和意义
• 1.2 国内外叶片冷却技术的研究进展
• 1.3 冷却叶片热耦合计算的研究进展
• 1.4 本文的主要工作
• 第2章 数值模拟方法
• 2.1 流体力学基本方程
• 2.2 湍流模型
• 2.2.1 湍流模型的分类
• 2.2.2 标准k-ε方程
• 2.2.3 标准k-ε方程的解法及适用性
• 2.3 网格生成技术
• 2.4 压力-速度耦合关系的处理
• 2.4.1 压力修正方法的基本思想
• 2.4.2 SIMPLE算法的主要计算步骤及近似处理
• 2.5 边界条件和耦合问题
• 2.5.1 进口边界
• 2.5.2 出口边界
• 2.5.3 固体边界
• 2.5.4 对称边界
• 2.5.5 耦合问题的处理
• 2.6 本章小结
• 第3章 气膜冷却和针肋强化换热的数值模拟
• 3.1 单孔平板气膜冷却
• 3.1.1 物理模型及网格的建立
• 3.1.2 单孔平板气膜冷却结果分析
• 3.2 多排针肋强化换热
• 3.2.1 物理模型及网格的建立
• 3.2.2 计算结果及分析
• 3.3 本章小结
• 第4章 气膜-针肋复合式冷却叶片的数值模拟
• 4.1 气膜冷却叶片的几何模型和网格的划分
• 4.2 计算结果及分析
• 4.2.1 燃气流场分布
• 4.2.2 气膜冷却叶片表面温度场的分布
• 4.2.3 改变冷却空气参数对气膜冷却效果的影响
• 4.2.4 气膜孔之间沿径向的冷却效果
• 4.2.5 改变主流攻角对叶片表面温度的影响
• 4.2.6 改变工质对叶片冷却效果的影响
• 4.3 本章小结
• 第5章 冲击-肋片式蒸汽冷却叶片的数值模拟
• 5.1 冲击-肋片式蒸汽冷却叶片的几何模型和网格的划分
• 5.2 计算结果及分析
• 5.2.1 燃气流场分布
• 5.2.2 冲击-肋片式蒸汽冷却叶片表面温度场的分布
• 5.2.3 几种不同工况叶片温度分布
• 5.2.4 改变主流攻角对叶片表面温度的影响
• 5.2.5 改变工质对叶片冷却效果的影响
• 5.3 两种冷却叶片的对比
• 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和取得的科研成果
• 致谢