燃气轮机涡轮动叶冷却结构设计及数值模拟研究

发布时间：2018-07-13 19:08

【摘要】：重型燃气轮机标志着一个国家综合国力以及重大技术的发展水平,性能要求高并且工作条件苛刻。由于燃气轮机的热效率随着透平转子进口温度的提高而增加,运行温度远高于叶片的允许温度,必须限制叶片材料的温度水平和温度变化,以保证叶片合理的使用寿命。采用有效的冷却技术不仅能够提高燃气初温,延长涡轮叶片寿命,而且对提高燃气轮机的效率,保证机组安全稳定运行,减少污染物的排放量,保护环境等具有重要的意义。蒸汽冷却较空气冷却的优点表现为：蒸汽的导热性能要优于空气,其冷却效率较高；不需要从压气机中抽取空气,有利于提高压气机的效率,从而使燃气轮机整机的效率有所提高。所以本文采用闭式蒸汽冷却方式,通过流固耦合数值模拟计算,分析燃气轮机第一级涡轮动叶片的冷却特性。首先,根据不同的冷却技术特点和涡轮动叶片各部位热负荷以及形状差异,设计了四种不同冷却结构的涡轮动叶片,分别是：(1)尾缘具有顺列扰流柱冷却结构叶片；(2)尾缘具有错列扰流柱冷却结构叶片；(3)尾缘具有不均匀圆柱扰流柱冷却结构叶片；(4)尾缘具有不均匀斜柱扰流柱冷却结构叶片。之后应用SolidWorks软件分别建立这四种冷却结构叶片的物理模型。其次,在相同热负荷及边界条件下,利用FLUENT软件分别对四种尾缘具有不同扰流柱冷却结构叶片进行流固耦合数值模拟分析,分别对四种叶片的叶栅通道压力及速度分布情况、叶片外壁面温度分布情况、相对冷却效果、最高温度、平均温度及平均相对冷却效果进行比较,结果表明尾缘具有不均匀斜柱扰流柱冷却结构叶片的冷却效果最好。最后,针对冷却效果最好的叶片模型进行温度、压力、质量流量等不同工况下的流固耦合数值模拟,分析其传热与流动特性,得出不同工况下叶片的叶栅通道压力及速度分布情况、叶片外壁面温度分布情况、相对冷却效果、最高温度、平均温度及平均相对冷却效果的变化规律,分析出不同工况的变化对叶片冷却效果的影响。为燃气轮机涡轮叶片冷却技术的研究提供参考。
[Abstract]:Heavy gas turbine marks the development level of a country's comprehensive national strength and major technology, high performance requirements and harsh working conditions. Because the thermal efficiency of gas turbine increases with the increase of inlet temperature of turbine rotor, the operating temperature is much higher than the allowable temperature of the blade, so the temperature level and temperature change of the blade material must be limited to ensure the reasonable service life of the blade. The effective cooling technology can not only improve the initial temperature of gas and prolong the life of turbine blade, but also improve the efficiency of gas turbine, ensure the safe and stable operation of the unit, reduce the emission of pollutants and protect the environment. The advantages of steam cooling compared with air cooling are as follows: the thermal conductivity of steam is better than that of air, and its cooling efficiency is higher, and it is not necessary to extract air from the compressor, which is helpful to improve the efficiency of the compressor. Thus, the efficiency of the gas turbine is improved. In this paper, the cooling characteristics of the first stage turbine blade of gas turbine are analyzed by using the closed steam cooling method and numerical simulation of fluid-solid coupling. Firstly, according to the characteristics of different cooling technology and the difference of heat load and shape of turbine blade, four kinds of turbine blades with different cooling structures are designed. (2) the tail edge has staggered spoiler cooling structure blade; (3) the tail edge has inhomogeneous cylindrical spoiler cooling structure blade; (4) the tail edge has uneven inclined column spoiler column cooling structure blade. Then the physical models of the four cooling structure blades were established by SolidWorks software. Secondly, under the same heat load and boundary condition, the fluid-solid coupling numerical simulation analysis of four kinds of cooling structure blades with different spoiler column is carried out by fluent software, and the pressure and velocity distribution of the cascade channel of the four kinds of blades are analyzed respectively. The relative cooling effect, the highest temperature, the average temperature and the average relative cooling effect are compared. The results show that the cooling effect of the blade with uneven oblique column spoiler column is the best. Finally, the fluid-solid coupling numerical simulation under different working conditions, such as temperature, pressure, mass flow rate and so on, is carried out to analyze the heat transfer and flow characteristics of the blade model with the best cooling effect. The pressure and velocity distribution of blade cascade channel, the distribution of outer wall temperature, the relative cooling effect, the maximum temperature, the average temperature and the average relative cooling effect of the blade under different working conditions are obtained, and the variation law of the blade outer wall temperature, the relative cooling effect, the average temperature and the average relative cooling effect are obtained. The influence of different working conditions on blade cooling effect was analyzed. It provides a reference for the research of turbine blade cooling technology of gas turbine.
【学位授予单位】：华北电力大学(北京)
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TK472

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本文编号：2120453