涡轮叶片尾缘偏劈缝冷却结构及其特性的数值研究

摘要

涡轮叶片进口燃气温度的提高有利于增加涡轮的输出功率。在高性能的燃气轮机中，通常涡轮叶片进口的燃气温度超出了叶片材料的温度极限，所以必须采用叶片冷却技术，这样才能保证涡轮叶片在高温、高压和高速运转的环境中长时间稳定地运行。基于现代先进制造技术的涡轮叶片冷却结构的研究和改进，是先进冷却技术的核心内容，是涡轮叶片安全运行的保证。因此，涡轮叶片尾缘偏劈缝冷却结构的研究的意义非常重大。
　　本文首先构造了涡轮叶片尾缘偏劈缝的冷却结构，建立了相应的物理模型与三维数学模型，采用有限容积法对此结构所带来的冷却效果进行了数值模拟，借助商用软件FLUENT6.3进行求解，将数值计算结果与文献中的实验结果进行了比较，验证了模型的可靠性;分别研究了不同孔缝内夹角、有栅隔和无栅隔结构以及气流参数对偏劈缝气膜冷却特性的影响;最后给出了本文研究的主要结论。文中考虑到偏劈缝结构气膜冷却流场的特殊性，即壁面两侧均为热端，采用了两种不同的定义方法来作为衡量气膜冷却特性的指标，分别是气膜冷却效率和冷却效果，其中气膜冷却效率基于绝热壁温，冷却效果基于实际壁温。由于冷却效果不仅体现了气膜的隔热作用，还体现了吸压侧传热的影响，因而对于工程设计更具有直观的效果。
　　研究了气流参数对偏劈缝结构气膜冷却的影响。在雷诺数为1.5×104～1.6×105的范围内，发现雷诺数对孔缝中心线下游的气膜冷却效率的影响不明显，栅隔中心线下游的气膜冷却效率随雷诺数的增大而增大;雷诺数的增大有利于孔缝中心线下游的冷却效果的提高，但栅隔中心线下游的冷却效果是先增大后减小的变化趋势。在吹风比为0.4～1.6的范围内，发现吹风比的增大导致孔缝中心线下游的气膜冷却效率产生很小的增加，但会引起栅隔中心线下游的气膜冷却效率降低;另外，吹风比的增大有利于偏劈缝结构冷却效果的提高。
　　通过研究偏劈缝结构不同孔缝内夹角的气膜冷却特性，发现孔缝内夹角的增大有利于气膜冷却效率的提高，但冷却效果却随着孔缝内夹角的增大而减小。在主流雷诺数为3.0×105和吹风比为1.0的工况下，孔缝内夹角从0°变化到10°时，气膜冷却效率提高了9.2％，冷却效果降低了0.85％。在工程设计中，应选取较小的孔缝内夹角。
　　通过比较有栅隔和无栅隔两种偏劈缝结构的气膜冷却效率和冷却效果可以看出，无栅隔结构的速度场和温度场的协同性优于有栅隔结构，且从整体上看，无栅隔结构的气膜冷却效率和冷却效果均高于有栅隔结构，特别是在高吹风比的情况下，无栅隔结构冷却特性的优势更加明显。

目录

声明

摘要

符号表

1 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 涡轮叶片的冷却结构

1．2．1 涡轮叶片的内部冷却结构

1．2．2 涡轮叶片的外部冷却结构

1．3 涡轮叶片尾缘冷却结构的研究

1．3．1 柱-肋冷却通道的研究

1．3．2 尾缘开缝的研究

1．4 本文主要工作

2 物理数学模型及数值方法

2．1 物理模型

2．1．1 问题描述及简化

2．1．2 计算区域

2．1．3 模型采用假设

2．2 数学模型

2．2．1 控制方程

2．2．2 边界条件

2．3 数值计算方法

2．3．1 计算方法

2．3．2 网格划分

2．3．3 网格独立性考核

2．4 与实验结果的比较

3 气流参数对偏劈缝结构气膜冷却影响的研究

3．1 模型描述

3．2 数值计算方法

3．3 结果分析与讨论

3．3．1 雷诺数对气膜冷却效率的影响

3．3．2 吹风比对气膜冷却效率的影响

3．3．3 雷诺数对冷却效果的影响

3．3．4 吹风比对冷却效果的影响

3．4 本章小结

4 孔缝内夹角对偏劈缝结构气膜冷却影响的研究

4．1 物理与数学模型

4．2 数值计算方法

4．3 结果分析与讨论

4．3．1 孔缝内夹角对气膜冷却效率的影响

4．3．2 孔缝内夹角对冷却效果的影响

4．4 本章小结

5 有无栅格对偏劈缝结构气膜冷却影响的研究

5．1 物理问题

5．2 数值方法

5．3 结果分析与讨论

5．3．1 有无栅格对气膜冷却效率的影响

5．3．2 有无栅格对冷却效果的影响

5．4 本章小结

6 结论

参考文献

致谢

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