涡轮叶片柱肋冷却通道流动换热特性研究

摘要

涡轮叶片内部冷却是提高燃气轮机轮机涡轮前温度重要手段，燃气初温的提高对提高燃气轮机效率起着至关重要的作用。柱肋冷却是涡轮叶片内部冷却的重要方式，主要被应用于叶片尾缘，掌握柱肋通道的流动换热机理和压力损失特性对于涡轮叶片温度分布、气流分配的研究有重要意义。
　　本文以燃气轮机涡轮叶片尾缘柱肋冷却通道作为研究对象，采用实验和数值模拟相结合的方法对柱肋通道的流动换热机理和压力损失特性进行了系统的研究，考察了柱肋形状、间距对换热和压力损失的影响，并对高温叶片的温度分布进行了分析。
　　搭建了流动换热实验台，使用瞬态液晶技术对不同柱肋形状对换热影响进行了实验研究，分析了圆柱和方柱肋通道的换热能力，并将实验结果与数值模拟结果进行对比，进一步研究柱肋通道的流场。瞬态液晶实验可以较好反映换热情况。随着雷诺数增加，端壁平均换热均增加。压损最大的为全方柱肋，其次为方柱圆柱交错排列，最小的为圆柱肋。
　　以实验通道尺寸为基准，建立相同模型，使用数值模拟方法，对不同柱肋间距通道的流动换热和压力损失进行了对比分析，为柱肋间距优化提供依据，从而获得最佳的综合换热效果。展向和流向间距减小换热均增强，且换热对于展向的依赖程度更强。展向和流向间距减小压损均增加，且压损对展向间距变化更加敏感。
　　将通道倾斜并使之接近真实叶片，进行高温热态耦合计算，将换热外化为温度。柱肋间距改变，叶片内壁面温度分布与换热分布情况类似，均呈现绕柱马蹄涡形式，换热与温度相对应，换热强位置温度较低。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 研究背景和意义

1.2 涡轮叶片内部冷却

1.3 柱肋冷却国内外进展

1.4 主要研究内容

1.5 本章小结

第2章 数值模拟基础

2.1 引言

2.2 控制方程

2.3 湍流模型

2.4 传热学基础

2.5 湍流模型的选取

2.6 网格无关性验证

2.7 本章小结

第3章 实验基础

3.1 引言

3.2 涡轮叶片内部冷却实验台

3.3 液晶标定

3.4 半无限大平板求解传热系数

3.5 试验件介绍

3.6 本章小结

第4章 柱肋形状变化对通道流动换热和压力损失影响实验研究

4.1 引言

4.2 全圆柱通道流动换热和压力损失

4.3 全方柱通道流动换热和压力损失

4.4 圆柱方柱交错排列通道流动换热和压力损失

4.5 不同形状柱肋通道流动换热和压力损失

4.6 本章小结

第5章 柱间距变化对柱肋通道流动换热和压力损失影响

5.1 引言

5.2 几何模型及网格划分

5.3 雷诺数对换热的影响

5.4 展向间距的影响

5.5 柱肋流向间距变化对通道流动换热特性影响

5.6 间距变化流动换热的影响

5.7 本章小结

第6章 展向和流向间距的变化对叶片尾缘温度场的影响

6.1 引言

6.2 模型及网格划分

6.3 柱肋展向间距变化对叶片尾缘耦合换热的影响

6.4 展向和流向间距变化对柱肋通道温度场和压力损失的影响

6.5 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