沙丘形肋式结构表面过渡段冲击冷却研究

发布时间：2020-05-18 12:24

【摘要】：燃气轮机燃烧室过渡段是承接燃烧室火焰筒与透平进口的连接部件,燃气轮机“先加热后降温”的工作原理使过渡段极易产生热疲劳和烧蚀等现象。而现代工业对燃气轮机使用效率的更高追求导致燃气温度不断升高,热部件工作环境不断恶化。因此,如何对过渡段等关键热部件进行有效热防护是燃气轮机领域今后的主要研究方向。本文以过渡段作为研究对象,通过计算流体力学仿真分析的方法,结合沙丘成形理论设计了冲击冷却中加入沙丘形肋式扰流结构的新型复合冷却方式,主要进行的工作如下:(1)建立带有沙丘形肋式结构换热表面的双腔式过渡段简化模型。首先根据Andreotti的二维新月形沙丘输运模型绘制沙丘剖面曲线。随后建立沙丘剖面形状的肋式扰流结构模型并将其缩放应用于燃气轮机过渡段简化模型中。最后建立相同结构参数的拱形、矩形肋式结构换热表面以及不同结构参数的沙丘形肋式结构表面。(2)沙丘形与多种肋式结构换热表面换热特性分析。在某F级重型燃气轮机的实际工况下,应用计算流体力学软件分别对光滑、拱形、矩形及沙丘形肋式结构换热表面进行有限体积法(FVM)仿真分析。主要对三种肋式结构的流场特性,压力损失及换热机理进行探讨。结果表明:在本文工况下,相比拱形和矩形,沙丘形肋式结构表面具有更优的换热效果及更低的流阻。先凹后凸的表面曲线是沙丘形肋式结构能以较小的流阻带来较强换热性能的主要原因之一。(3)沙丘形肋式结构参数对冲击冷却的关键技术研究。分别讨论了冲击孔与沙丘形肋式结构间距L(30、40、50、60、70mm),肋高与腔体高之比H/D(0.18、0.23、0.34)对沙丘形肋式结构换热性能的影响。结果表明:L=30,H/D=0.23的沙丘形肋式结构具有更好的综合性能,合适的H/D可以使冷却介质贴附沙丘形肋式结构流动,对改善局部过热有较好的效果。
【图文】：

趋势图,透平,进口温度,输出功率

图 1.1 透平进口温度与输出功率的发展趋势燃气轮机透平技术的不断改进和工艺水平的提升换代使得燃气轮机在输出功率方面有了长足而巨大的发展，却也带来了更加恶劣的燃机运行环境。如图 1.1所示，燃气轮机效率的提升与燃汽轮机透平进口温度的增长有着直接而密切的联系。据有关资料统计显示[4]，在燃机尺寸不变的条件下，透平入口温度每提高100℃，透平推力可提高约 25%，燃料的消耗则能下降约 7%。目前 F 级燃汽轮机多采用化石燃料燃烧方式，通过透平及过渡段冷却的燃气温度在1300K左右。虽然燃机的涡轮进口温度暂未达到燃料的燃烧极限温度，但燃机内部高温部件结构和材料仍面临着极大的考验。如图 1.2 所示，热疲劳、热烧蚀是大型燃气轮机在使用过程中的多发故障，所造成的紧急停机、拆换关键部件不仅耗资巨大且对生产安全造成了潜在的威胁。因此，如何在提高燃机热效率的同时对关键热部件进行防护、降低能耗、延长机器使用寿命已成为加快我国燃机技术自主研发进程，

热烧蚀,热部件,燃气温度,疲劳裂纹

图 1.2 热部件疲劳裂纹及热烧蚀对于燃气温度过高所带来的一系列问题，目前的主流解决方式有两种：一提高高温部件材料的耐热性，发展高性能耐热合金；二是采用先进的冷却技术以少量的冷却介质获得更好的降温效果。先进的燃气轮机在超高温（2500°2600°F）的工况下运行以提高热效率和输出功率，，已经远远超出了普通材料耐热极限。据统计[5]，历年来燃机透平进口温度以平均每年 20℃速度提升，而属材料的耐热性能则平均每年增加 8℃的趋势来看，其余的温升则完全得益于却技术的进步。随着现代工业对于先进冷却技术需求的不断提升，单一的对流热冷却方法已经无法满足实际工况需要，多种冷却方式复合应用才是当今的研发展趋势。图 1.3 展示了透平温度不断升高所带来的涡轮叶片冷却方式变革。前，燃气轮机相关高温部件的冷却方式主要为内部冷却，其中包括射流冲击冷却薄膜冷却和添加表面热功能结构等。冷却技术的选择和应用对整个燃机效率的
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TK473

【参考文献】