燃气轮机叶片尾缘槽多种结构冷却效果的数值研究

摘要

在现代燃气轮机中，涡轮叶片进口温度往往很高，当过高的温度超过叶片材料所能承受的最大限度时便会对叶片造成损害，因此，应采用合理的冷却方法对叶片进行冷却。气膜冷却技术是涡轮叶片有效的冷却方式之一，被广泛应用于各种领域。涡轮叶片尾缘截面积较小，高温气体在此易发生热沉滞，导致其温度升高，极易使叶片出现裂痕，损坏叶片，影响其正常工作。因此，合理的叶片尾缘结构设计对改善叶片尾缘的传热及冷却特性具有重大意义。 本文通过数值模拟的方法研究了叶片尾缘无肋、直角肋、斜角肋三种结构的传热和冷却特性及流动机理，并采用正交分析法深入研究了叶片尾缘在三因素三水平共同影响下的冷却效果，为叶片尾缘整体的冷却结构设计提供参考。 首先，建立无肋、直角肋和斜角肋三种不同结构的叶片三维物理模型，采用定常数值模拟的方法，研究不同吹风比对三种叶片尾缘结构的对流换热系数、温度分布及冷却效率的影响。结果表明：吹风比在 0.5~1.5 范围内变化时，随着吹风比的增大，三种结构叶片尾缘壁面的对流换热系数逐渐增大，越靠近槽出口受吹风比的影响越大，在相同条件下，叶片尾缘加肋结构的冷却效果比无肋结构要好。 其次，对这三种叶片尾缘结构进行非定常数值计算，从温度场出发，比较三种结构在一个周期内温度随时间的变化规律，并从涡量场出发，以瞬时来揭示尾迹涡的形成机理，研究三种结构在一个周期内相同截面上涡量随时间的演化过程。结果表明：在一个周期内，随着时间的变化，加肋结构的叶片尾缘温度分布比无肋结构低，冷却气膜覆盖效果更好，且无肋结构的叶片尾迹涡产生的位置稍提前于加肋结构，使得冷却气体流出槽出口后的在叶片尾缘的贴壁性降低，冷却气膜对尾缘的的覆盖面积减小，冷却效率也就随着时间的变化越来越低，因此，加肋结构的叶片尾缘槽冷却效果比无肋结构要好。 最后，建立三因素三水平的9种正交方案，对比分析不同因素对叶片尾缘冷却效果的影响及影响的主次顺序，从而确定最佳的叶片尾缘结构方案。结果表明：三种因素对叶片尾缘影响的主次顺序为：吹风比＞肋延伸长度＞肋开口角度，且吹风比为 1.5，肋开口角度为 100°和肋延伸长度为 3L/4 结构的叶片尾缘冷却效率最高。因此，合理的叶片尾缘结构设计对提高其冷却效果有很大帮助。

目录

主要符号表

第1章 绪 论

1.1 课题背景及意义

1.2 叶片尾缘冷却国内外研究现状及成果

1.3 本文研究内容

第2章 湍流模型及数值计算方法

2.1 基本控制方程

2.2 湍流模型

2.3 网格划分

2.4 计算方法

2.5 本章小结

第3章 叶片尾槽不同结构对冷却效果影响的数值研究

3.1 数值计算方法

3.2 计算结果及分析

3.3 本章小结

第4章 叶片尾缘槽气膜冷却效果的非定常数值研究

4.1 数值计算方法

4.2 三种结构一周期内温度分布情况

4.3 三种结构涡量演化分析

4.4 本章小结

第5章 叶片尾缘槽不同结构冷却效果的正交模拟

5.1 物理模型和正交方案设计

5.2 计算结果的分析与讨论

5.3 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文

声明

致谢