采用管道网络法的燃气涡轮冷却结构气热耦合数值研究

摘要

随着燃气轮机技术的迅猛发展,目前燃气轮机在陆用发电等相关领域被广泛采用。涡轮叶片内部的冷却空气系统是燃气轮机中最为重要的系统,冷却空气系统设计是否合理,直接决定了燃气透平能否在可靠环境中安全运行。管道网络法是涡轮叶片热分析的基础,它能够快速的模拟叶片内部复杂流路的流动和换热情况,因而在航空发动机燃油输运以及空气冷却系统的设计、校核和改进中得到了广泛应用。本文将管道网络法应用到燃气涡轮叶片内部冷却结构中,通过对已有冷却方案进行管网计算,来指导燃气涡轮叶片内部空气系统的设计和改进。
　　本文详细推导了管网计算所涉及到的控制方程,通过对控制方程线性化处理,使计算收敛速度加快、稳定性提高;为了验证管网计算程序的正确性,本文选用带有实验数据的高负荷MarkII导向叶片5411实验工况,对管道网络法进行了验证,通过验证说明本文提出的燃气涡轮内部流体管网计算、叶片外部换热计算以及管网耦合计算的思路是可行的;将经过验证的管网计算程序应用到燃气涡轮某型高压动叶中,结合CFX三维计算结果,通过给定冷气侧壁面温度边界,在旋转和静止状态下,分析对比了该型高压动叶内部流体的流动和换热特性,由计算结果可知管网程序计算的冷气进出口流量精度较高,可以为实验提供可靠的数据支持,而且叶片旋转改善了其内部冷气流动和换热状况,这表现在叶片各冷却通道冷气流量增大、冷气与叶片内壁面的换热增强。

目录

采用管道网络法的燃气涡轮冷却结构气热耦合数值研究

RESEARCH ON CONJUGATE HEAT TRANSFER SIMULATION OF GAS TURBINE COOLING STRUCTURE WITH PIPE-NET NETHOD

摘 要

Abstract

第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2 管道网络法发展概述

1.3 气冷涡轮气热耦合计算

1.4 本文的主要研究内容

第2章 管道网络法的数值计算原理以及建模方法

2.1 管网数值计算原理

2.1.1控制方程

2.1.2求解方法

2.2 管网建模方法

2.2.1气冷涡轮内部流体网络构建

2.2.2几何信息提取

2.2.3边界条件设置

2.3 本章小结

第3章 管道网络法的验证

3.1 燃气涡轮叶片内部流体管网计算验证

3.1.1计算模型

3.1.2边界条件

3.1.3计算结果分析

3.1.4节点独立性验证

3.2 燃气涡轮叶片外部换热计算验证

3.2.1燃气涡轮叶片外换热计算原理

3.2.2计算结果分析

3.3 燃气涡轮叶片管网耦合计算验证

3.3.1管网耦合计算原理简介

3.3.2 Mark II叶片管网耦合计算

3.4 本章小结

第4章 管道网络法在燃气涡轮某型高压动叶中的应用

4.1 燃气涡轮某型高压动叶冷却结构分析

4.2 燃气涡轮某型高压动叶管网建模

4.3 边界条件设置

4.3.1 冷气进出口边界条件

4.3.2 壁面边界条件

4.4 计算结果分析

4.4.1叶片内部流体流动特性分析

4.4.2叶片内部流体换热特性分析

4.4.3叶片表面温度计算

4.5 本章小结

结 论

参考文献