垂直带肋通道中槽型截面孔的气膜冷却特性研究
发布时间：2021-07-04 05:26
重型燃气轮机是迄今为止效率最高的热-功转换类发电设备,它的研发制造水平代表了一个国家的重工业水平。燃气轮机热效率的提高主要通过提升透平进口温度来实现,目前先进燃气轮机的透平进口温度已远超叶片材料的耐温极限,高效透平冷却技术是保证燃气轮机可靠运行的关键,因此发展冷却技术对于提高燃机效率有着极为重要的作用。尤其是透平动叶,其冷却通常采用气膜冷却与内部垂直带肋通道组合的方式,带肋通道对气膜冷却性能的影响是动叶冷却设计必须考虑的因素。目前有关带肋通道中的气膜冷却特性研究几乎都采用具有圆形横截面的气膜孔,如圆柱孔和扇形孔,其气膜冷却特性与流动机理已较为清楚。而对于槽型截面孔,已有研究表明,相比于扇形扩张孔,其在腔进气方式下拥有更好的气膜冷却效果,但其在垂直带肋通道中的研究尚未开展,流动机理尚不明确。因此本文通过实验和数值方法研究槽型截面孔在垂直带肋通道中的气膜冷却特性。本文采用数值方法对比研究了典型扇形孔和槽型截面孔在垂直带肋通道内的气膜冷却特性。带肋通道模型分为大肋间距和小肋间距两类,即每个肋段分别包含两个气膜孔和一个气膜孔。对两类模型分别研究了槽型截面孔横截面形状影响和带肋通道中肋角度影响。...
【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院工程热物理研究所)北京市
【文章页数】：111 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
国外主要重型燃机产品透平进口温度提高趋势
3化示意图。D级与F级燃机一级透平静叶采用简单的圆柱孔气膜冷却，结合内部冲击冷却，构成复合冷却结构；G级燃机一级透平静叶采用扇形气膜孔，进一步提高综合冷却效果；J级燃机一级透平静叶采用了更高性能的扇形气膜孔，以及全覆盖气膜冷却技术，能够在不提高相对冷气量的条件下（从而减少对循环效率的负面影响），实现600~650℃的降温。透平冷却技术的发展，对重型燃机性能的提升有着重要贡献。图1-2提高透平进口温度对透平冷却技术带来挑战Figure1-2ChallengesofTurbineCoolingTechnologyRaisingTurbineInletTemperature图1-3三菱重工D级到J级重型燃机一级透平静叶冷却结构变化Figure1-3MitsubishiHeavyIndustriesD-to-J-classheavy-dutygasturbinefirst-stagecoolingbladecoolingstructurechanges
4图1-4显示了冷却技术的发展对透平进口温度提升的重要性。与叶片金属材料耐温能力的提升曲线相比，冷却技术的不断发展才使得透平进口温度得到显著的提升。进而提高燃气轮机的整体效率。因此发展冷却技术对于提高燃机效率有着极为重要的作用。图1-4近年来透平进口温度的变化Figure1-4Changesinturbineinlettemperatureinrecentyears常见的透平叶片冷却方式有气膜冷却、冲击冷却、肋通道冷却，以及柱肋冷却。其中气膜冷却属于外部冷却，通过在叶片表面设置小孔将冷却气体以一定角度射入主流，在金属表面形成一层冷气膜隔绝高温燃气以及对金属壁面进行冷却。冲击冷却、肋通道冷却，以及柱肋冷却属于内部冷却技术。冲击冷却是将冷却气体通过射流孔冲击到内表面进行冷却，冲击效应使得壁面温度显著降低，但同时造成较大的流动损失，多用于温度较高的叶片前缘部分。肋通道冷却通常在冷却通道内部设置扰流肋增强壁面的换热能力。实际上，扰流肋的存在严重影响了壁面附近冷气的流动状态，使流动变得尤为复杂，边界层不断分离与重新附着，增强了换热能力，同时造成了严重的流动损失。Han等[2][3][4]对于叶片中的带肋通道做了较为详尽的研究，对肋结构的工作原理及肋形状对换热的影响做了系统研究。另外，扰流肋的存在对气膜冷却也同样有显著的影响。柱肋冷却通道用于叶片尾缘，采用多排柱肋错排的方式。流过柱肋附近的气流柱冲击柱肋使得换热能力显著增强。图1-5为典型透平叶片结构。目前透平动叶上主要采用内部冷却和外部气膜冷却相结合的冷却方式。如图1-6为三菱重工重型燃气轮机动叶冷却方式的发展。叶片前缘采用冲击+对流+气膜的复合冷却方式；叶身采用内部蛇形带肋通道与外部高性能气膜的复合冷却方式；叶片尾缘采用带有针肋结构的劈缝冷却?
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于热色液晶的异型气膜孔气膜分布特征的可视化实验[J]. 吴阿赛,朱惠人,刘存良,贺宜红,卢聪明,张聪笑. 航空动力学报. 2015(02)
[2]压力面复合角孔型对气膜冷却的影响[J]. 张扬,苟金澜,袁新. 工程热物理学报. 2013(05)
[3]带肋横流通道中气膜孔位置对气膜冷却特性的影响[J]. 李春林,朱惠人,白江涛,杜小琴,周雷声. 航空动力学报. 2012(06)
[4]带90°肋和双排出流孔通道换热特性的实验[J]. 郭涛,朱惠人,许都纯. 航空动力学报. 2010(10)
[5]冷却流通道内流动对气膜冷却影响的大涡模拟研究[J]. 彭威,姜培学. 工程热物理学报. 2010(08)
[6]内冷通道特性对外表面气膜冷却换热影响研究[J]. 李春林,朱惠人,杜小琴,周雷声. 汽轮机技术. 2009(05)
[7]内通道交错横流对气膜冷却效率的影响[J]. 白江涛,朱惠人,刘存良. 航空动力学报. 2008(08)
[8]收缩-扩张形气膜孔提高气膜冷却效率的机理研究[J]. 刘存良,朱惠人,白江涛. 航空动力学报. 2008(04)
[9]带60°肋和气膜孔矩形通道换热研究[J]. 李广超,朱惠人,郭涛. 航空动力学报. 2006(06)
[10]不同出射角度对气膜冷却流场的影响[J]. 郭婷婷,金建国,李少华,王虎. 中国电机工程学报. 2006(16)
博士论文
[1]燃气轮机透平气膜冷却机理的实验与理论研究[D]. 李佳.清华大学 2011
本文编号：3264131
【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院工程热物理研究所)北京市
【文章页数】：111 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
国外主要重型燃机产品透平进口温度提高趋势
3化示意图。D级与F级燃机一级透平静叶采用简单的圆柱孔气膜冷却，结合内部冲击冷却，构成复合冷却结构；G级燃机一级透平静叶采用扇形气膜孔，进一步提高综合冷却效果；J级燃机一级透平静叶采用了更高性能的扇形气膜孔，以及全覆盖气膜冷却技术，能够在不提高相对冷气量的条件下（从而减少对循环效率的负面影响），实现600~650℃的降温。透平冷却技术的发展，对重型燃机性能的提升有着重要贡献。图1-2提高透平进口温度对透平冷却技术带来挑战Figure1-2ChallengesofTurbineCoolingTechnologyRaisingTurbineInletTemperature图1-3三菱重工D级到J级重型燃机一级透平静叶冷却结构变化Figure1-3MitsubishiHeavyIndustriesD-to-J-classheavy-dutygasturbinefirst-stagecoolingbladecoolingstructurechanges
4图1-4显示了冷却技术的发展对透平进口温度提升的重要性。与叶片金属材料耐温能力的提升曲线相比，冷却技术的不断发展才使得透平进口温度得到显著的提升。进而提高燃气轮机的整体效率。因此发展冷却技术对于提高燃机效率有着极为重要的作用。图1-4近年来透平进口温度的变化Figure1-4Changesinturbineinlettemperatureinrecentyears常见的透平叶片冷却方式有气膜冷却、冲击冷却、肋通道冷却，以及柱肋冷却。其中气膜冷却属于外部冷却，通过在叶片表面设置小孔将冷却气体以一定角度射入主流，在金属表面形成一层冷气膜隔绝高温燃气以及对金属壁面进行冷却。冲击冷却、肋通道冷却，以及柱肋冷却属于内部冷却技术。冲击冷却是将冷却气体通过射流孔冲击到内表面进行冷却，冲击效应使得壁面温度显著降低，但同时造成较大的流动损失，多用于温度较高的叶片前缘部分。肋通道冷却通常在冷却通道内部设置扰流肋增强壁面的换热能力。实际上，扰流肋的存在严重影响了壁面附近冷气的流动状态，使流动变得尤为复杂，边界层不断分离与重新附着，增强了换热能力，同时造成了严重的流动损失。Han等[2][3][4]对于叶片中的带肋通道做了较为详尽的研究，对肋结构的工作原理及肋形状对换热的影响做了系统研究。另外，扰流肋的存在对气膜冷却也同样有显著的影响。柱肋冷却通道用于叶片尾缘，采用多排柱肋错排的方式。流过柱肋附近的气流柱冲击柱肋使得换热能力显著增强。图1-5为典型透平叶片结构。目前透平动叶上主要采用内部冷却和外部气膜冷却相结合的冷却方式。如图1-6为三菱重工重型燃气轮机动叶冷却方式的发展。叶片前缘采用冲击+对流+气膜的复合冷却方式；叶身采用内部蛇形带肋通道与外部高性能气膜的复合冷却方式；叶片尾缘采用带有针肋结构的劈缝冷却?
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于热色液晶的异型气膜孔气膜分布特征的可视化实验[J]. 吴阿赛,朱惠人,刘存良,贺宜红,卢聪明,张聪笑. 航空动力学报. 2015(02)
[2]压力面复合角孔型对气膜冷却的影响[J]. 张扬,苟金澜,袁新. 工程热物理学报. 2013(05)
[3]带肋横流通道中气膜孔位置对气膜冷却特性的影响[J]. 李春林,朱惠人,白江涛,杜小琴,周雷声. 航空动力学报. 2012(06)
[4]带90°肋和双排出流孔通道换热特性的实验[J]. 郭涛,朱惠人,许都纯. 航空动力学报. 2010(10)
[5]冷却流通道内流动对气膜冷却影响的大涡模拟研究[J]. 彭威,姜培学. 工程热物理学报. 2010(08)
[6]内冷通道特性对外表面气膜冷却换热影响研究[J]. 李春林,朱惠人,杜小琴,周雷声. 汽轮机技术. 2009(05)
[7]内通道交错横流对气膜冷却效率的影响[J]. 白江涛,朱惠人,刘存良. 航空动力学报. 2008(08)
[8]收缩-扩张形气膜孔提高气膜冷却效率的机理研究[J]. 刘存良,朱惠人,白江涛. 航空动力学报. 2008(04)
[9]带60°肋和气膜孔矩形通道换热研究[J]. 李广超,朱惠人,郭涛. 航空动力学报. 2006(06)
[10]不同出射角度对气膜冷却流场的影响[J]. 郭婷婷,金建国,李少华,王虎. 中国电机工程学报. 2006(16)
博士论文
[1]燃气轮机透平气膜冷却机理的实验与理论研究[D]. 李佳.清华大学 2011
本文编号：3264131
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