透平导叶闭式蒸汽冷却气热-热弹耦合研究

摘要

为了在满足冷却要求的前提下,有效简化冷却结构及降低冷却导致的损失,本文对某重型燃气轮机进口导向叶片的冷却方案进行研究.尝试具有闭式结构的蒸汽冷却取代传统开式空气冷却的方法,运用基于有限元的有限容积法CFX 求解器针对叶片本身及内外流场进行三维定常气热耦合计算,采用高雷诺数k-?湍流模型及壁面函数法,在此基础上根据热弹性力学中杜哈梅尔(Duhamel)相似定理的等效应力分析法,分别考虑气动、温度及两者综合载荷作用效果,针对叶片进行了稳态应力有限元热弹耦合计算.对比气热、热弹结果分析表明:尽管蒸汽作为冷却工质要优于空气,但利用简单的径向圆柱型闭式冷却结构不能有效解决透平导向叶片局部温度集中的冷却问题,需要进一步的优化布置,尾缘冷却可以通过安排闭式结构达到要求;壁面温度不均匀分布造成局部热应力集中,在气动载荷的作用下,加快冷却叶片的疲劳破坏;等效应力方法在叶片冷却结构应力分析中可行性较高.研究工作针对不断提升的燃气轮机进口温度而设计的冷却叶片,指出在满足冷却要求的前提下还要保持一定的力学性能,为合理高效布置冷却结构,进行多物理场耦合计算奠定了基础.