涡轮动叶内部交叉肋结构的流动换热特性研究

摘要

燃气轮机功率和效率的日益增长促使涡轮进口温度不断提高。涡轮冷却技术的发展对提高燃气轮机的热效率和功率输出起着至关重要的作用。涡轮动叶工作环境恶劣，面临着强离心力、高热应力和强气动弯扭应力，叶片冷却效果和强度是主要关心的问题。本文针对以上问题，展开涡轮动叶内部冷却交叉肋结构的设计和优化以及流动换热特性研究。 本文首先将叶片分为三个主要区域:动叶前缘、动叶中部和动叶尾缘，并从实际叶片模化得到交叉肋几何参数，利用这些参数来确定不同区域的模化交叉肋的几何参数。利用CFX对不同肋角度、不同肋宽、不同肋间距的模化交叉肋进行数值模拟，研究其流动和换热特性。最后利用1stOpt软件对不同区域的交叉肋结构的平均努塞尔数和流阻系数分别拟合关于几何参数和流动参数的经验公式，并将预估值和实际值作比较，发现误差非常小。 采用模化交叉肋的设计指导实际涡轮动叶交叉肋结构设计，提取相关区域的模化交叉肋几何参数应用于实际涡轮动叶交叉肋结构设计上，将动叶内冷通道设计为3组不同参数的纯交叉肋结构。利用CFX对纯交叉肋动叶模型进行气热耦合计算，结果发现纯交叉肋动叶结构前缘及叶顶存在局部超温区域。因此本文对纯交叉肋动叶前缘和叶顶区域进行两次优化，再次进行气热耦合计算，计算结果发现6种不同工况下叶片表面均未超温且满足材料许用温度要求。最终将交叉肋动叶结构设计为:动叶中后部设计为3组交叉肋，前缘压力面吸力面各布置1排气膜孔，叶顶设计8个出流孔，靠近压力面顶部处布置9个出流孔，第1组交叉肋与前缘腔之间布置共14个非均匀排布冲击冷却孔。 当设计的涡轮动叶表面最高温度满足材料许用温度后，本文利用Workbench平台静力结构模块将气热耦合计算得到的动叶表面温度和压力插值到相应的动叶模型上，并且施加离心力载荷进行强度分析。计算结果发现:原始设计等壁厚交叉肋叶片存在局部应力集中现象。针对应力集中现象，本文展开低应力设计，将原始模型进行优化，设计为变壁厚叶片，重新计算强度。计算结果发现:相同区域局部应力降低明显，并且叶片的等效应力在材料的许用应力之内，叶片绝大部分区域安全系数达1.2以上，仅有少部分在1.07以上，满足设计要求。