利用涡轮叶片前缘端壁倒角控制壁面热负荷的数值研究↑

摘要

随着涡轮进口燃气温度水平不断提高，涡轮叶栅端壁区域的热控制成为研究的热点问题。在对端壁实施气膜冷却之前，可以利用气动手段对端部固体表面进行“预冷”，具体的做法就是有意识、有目的地合理利用叶片前缘端壁倒角结构，通过控制端壁区域的旋涡结构来达到降低壁面温度的目的。
　　关于叶片前缘倒角控制涡轮端壁区域热负荷的机理研究，目前还缺乏统一和明确的认识。此外，现有的研究还存在着一些不足，如气流速度和自由流湍流度过低，和实际燃气轮机涡轮进口条件不相符等，影响了现有研究成果对该技术在实际燃气轮机中应用的指导价值。
　　本文以公开发表的在实验室条件下得到的具有最优前缘倒角结构的涡轮叶栅为研究对象，分别对不同来流湍流强度（2.1％、11.2%、20.4%）和不同叶栅出口马赫数（0.5、1.05）条件下前缘加最优倒角和原型两套叶栅进行了数值模拟，研究前缘端壁倒角结构降低壁面热负荷的作用机理和流动状况改变对倒角降温效果的影响。并在来流湍流强度为20.4%、叶栅出口马赫数为1.05这种较为接近真实流动条件下，以目标壁面的面积平均温度下降最大为目标，对倒角结构进行了优化研究。
　　结果表明，从端壁至展向20%叶高的叶片表面（倒角所在位置叶片表面）是倒角影响的主要区域，面积平均温度和最大温度都下降明显。前缘倒角结构使得叶片负荷重新分配，根部负荷的明显降低使附近流动状态得到改善，来流沿倒角坡面向上加速流动，消除了原型叶栅中叶展中部高温工质向叶片前缘端壁角区迁移的趋势，从而降低了倒角作用区域的叶片表面温度。前缘带倒角结构叶栅在喉部之后形成了与原型通道涡不同的靠近吸力面和端壁角区的涡结构，该旋涡一直紧贴吸力面发展，使得高湍流强度情况下端壁角区壁面温度比原型有所提高。另外，湍流强度一定时，前缘倒角叶栅的出口质量平均能量损失在低出口马赫数情况下比原型叶栅高，而在高出口马赫数情况下比原型叶栅低，可见叶片前缘倒角结构对前缘角区热环境和叶片气动特性的影响效果并不一致，且与来流工况条件关系密切。
　　通过对不同工况条件下的模拟结果对比，可知来流湍流度和速度都对前缘倒角的降温效果影响显著，当来流速度一定时，随着湍流强度的增加，倒角的降温效果呈逐渐减弱的趋势。本文优化研究得到的接近真实工况的条件下的最优倒角结构使得目标壁面的面积平均温度相对原型叶栅下降达到1.25%，而不同工况条件下的最佳倒角结构存在较大差异，准确评估前缘倒角降温效果直接影响到涡轮冷却的冷气使用量，因此在实际燃机中应用时，需要在真实的工况条件下对其进行优化设计。

目录

利用涡轮叶片前缘端壁倒角控制壁面热负荷的数值研究

NUMERICAL SIMULATION OF THERMALCONTROL ON TURBINE VANE WITH LEADINGEDGE FILLET

摘要

Abstract

第1章 绪论

1.1 课题背景及意义

1.2 涡轮叶片前缘端壁倒角的研究现状分析

1.3 论文工作的目的和主要内容

1.4 本章小结

第2章 倒角结构和数值计算方法介绍

2.1 前缘倒角结构描述

2.2 叶栅内三维粘性流场的数值计算方法

2.3 本课题计算网格与数值方法

2.4 本章小结

第3章 前缘端壁倒角控制壁面热负荷的机理分析

3.1 计算方案

3.2 倒角结构对壁面热负荷的影响

3.3 倒角结构对叶栅流场参数的影响

3.4 本章小结

第4章 前缘端壁倒角结构的优化设计研究

4.1 引言

4.2 倒角结构优化变量

4.3 优化设计方案

4.4 优化结果分析

4.5 本章小结

结论

参考文献

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