某燃气涡轮高压级叶栅冷却结构设计及气热耦合数值模拟

论文摘要

先进燃气涡轮为了获得更高的效率,不断提高涡轮入口燃气温度。然而随着燃气温度的不断提高,叶片热负荷增大,温度随之上升,热应力也不断增大,对叶片产生了极大的危害,因此为了保证叶片的安全运行、提高其使用寿命,采用先进冷却技术降低涡轮叶片温度也就成为当前发动机研制的重点。本文针对某型燃气涡轮高压级叶栅的热负荷特点,设计了该级高压导叶和动叶的冷却结构,并通过气热耦合数值模拟,对此冷却结构进行了流动与传热分析。本文对高压级导叶的前缘采用气膜--冲击复合冷却结构,中腔是冲击冷却,尾缘采取劈缝形式,应用条形通道加强换热效果。高压级动叶的前缘及中部采用壁面遍布扰流肋的蛇形通道结构,尾部则用类“井”字形结构强化换热。笔者利用三维造体软件UG NX 5.0并结合了参数化造型方法进行冷却结构的实体建模,利用ICEM划分网格,最终应用ANSYS CFX对此燃气涡轮高压级叶栅进行了气热耦合数值模拟。通过CFD模拟得到了导叶和动叶叶片温度场,并结合燃气、冷气的压力分布、流动过程、换热系数及热流密度等气动、传热参数分析了冷气对于叶片换热的影响,结果表明:冷却气膜孔较好的覆盖了导叶的外表面,减少了叶身与燃气的换热量,冲击冷气的喷射强化了内壁面冲击区域的换热系数,提高了内壁面与冷气的换热量,有效的降低了叶片温度。导叶尾缘区域的条形通道,即增大了换热面积,又加强了扰流,提高了内壁面换热系数,因此提高了换热量,达到了冷却要求;动叶的蛇形通道结构提高了冷气的利用率,通道内壁面上大量的扰流肋加强了对冷气的扰流作用,提高了壁面换热系数,最终提高了换热量,有效的降低了叶片前缘和中部的温度。尾缘区域由于采用了类“井”字型通道,在增大了换热面积的同时又加强了扰流,同样起到了理想的冷却效果,并且随着冷气速度的增大,对流换热增强,这种效果更明显。最后,通过上述详细的分析得出,采用本文所示冷却结构基本达到了叶片的冷却要求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的来源、背景及意义
• 1.1.1 课题来源
• 1.1.2 课题研究的背景
• 1.1.3 课题研究的意义
• 1.2 涡轮叶片冷却技术概述
• 1.2.1 叶片冷却技术的发展历程
• 1.2.2 涡轮叶片的典型冷却方式
• 1.2.3 典型燃气涡轮叶片的气冷结构
• 1.2.4 涡轮叶片冷却技术的主要问题与基本要求
• 1.3 国内外冷却技术研究现状
• 1.3.1 国外叶片冷却技术研究现状
• 1.3.2 国内叶片冷却技术研究现状
• 1.4 气热耦合数值模拟综述
• 1.5 本文的主要研究内容
• 第2章 气热耦合数值模拟方法
• 2.1 数值模拟软件CFX简介
• 2.2 数值计算方法
• 2.2.1 控制方程
• 2.2.2 湍流模型
• 2.2.3 旋转状态下哥氏力的作用
• 2.2.4 耦合传热计算方程
• 2.2.5 数值计算离散方法
• 2.3 本章小结
• 第3章 涡轮冷却结构设计、实体建模及网格划分
• 3.1 高压导叶的冷却结构设计及实体建模
• 3.1.1 导叶前缘冷却结构
• 3.1.2 导叶中部和尾缘冷却结构
• 3.1.3 导叶内、外围带冷却结构
• 3.2 高压动叶的冷却结构设计及实体建膜
• 3.2.1 动叶前缘、中腔冷却结构
• 3.2.2 动叶尾缘冷却结构
• 3.2.3 榫头及叶冠冷却结构
• 3.3 涡轮叶片冷却结构的计算区域划分及网格生成
• 3.3.1 计算网格分区的原因
• 3.3.2 导叶及动叶的计算区域网格的划分及生成
• 3.3.3 计算网格的质量分析
• 3.4 本章小结
• 第4章 高压导叶数值模拟结果分析
• 4.1 计算模型初始及边界条件
• 4.2 流场速度与压力分布
• 4.3 叶片温度场分析
• 4.3.1 叶片外表面温度分布
• 4.3.2 叶片截面温度分布
• 4.3.3 上、下端壁温度分布
• 4.4 冷却结构对换热的影响
• 4.4.1 前缘气膜—冲击综合冷却结构的冷却效果分析
• 4.4.2 中腔、尾缘冲击冷却与平行扰流肋结构的冷却效果分析
• 4.5 本章小结
• 第5章 高压动叶数值模拟结果分析
• 5.1 计算模型初始及边界条件
• 5.2 流场速度与压力分布
• 5.3 叶片温度场分析
• 5.3.1 叶片外表面温度分布
• 5.3.2 叶片截面温度分布
• 5.3.3 叶冠及下缘板温度分布
• 5.4 冷却结构对换热的影响
• 5.4.1 蛇形通道的冷却结果分析
• 5.4.2 尾缘冷却结果分析
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢