旋转状态下涡轮动叶内冷结构的流动与换热特性研究

发布时间：2020-05-21 16:39

【摘要】：随着高效燃气轮机技术的发展,涡轮入口燃气温度要求不断升高,在耐高温材料不足以承受燃气温度的情况下,只有采用有效的涡轮部件热防护措施才能满足设计需求。常用的涡轮叶片冷却结构有外部的气膜冷却和内部的扰流冷却、冲击冷却等,现代涡轮叶片常常采用多种结构实现复合冷却的方式。此外对于涡轮动叶来说,在承受高温的同时还处于高转速环境,在设计内部冷却方案时必须考虑哥氏力等额外作用力对换热的影响。本文专注于旋转状态下涡轮动叶的内部冷却研究,借助数值模拟方法研究了叶片内部带肋通道、冲击射流和扰流柱冷却这三个典型内冷结构在旋转条件下的流动换热机理,提出了有利于增强内部冷却性能并提高换热均匀性的内冷设计。本文通过对宽高比为0.5并且前后缘壁面的对称面与旋转轴夹角为45°的旋转通道内部换热研究发现,连续肋方案中倾斜角相同但倾斜方向不同的扰流肋,会在哥氏力作用下造成相反的换热结果,当哥氏力沿肋方向的分量,与肋方向相同时,哥氏力产生的旋涡可以和该倾斜方向的扰流肋诱导的旋涡相互促进,使前缘面被哥氏力削弱的换热得到恢复,达到与后缘面换热相接近的程度,反之哥氏力沿肋方向的分量,与肋方向相反时,哥氏力与扰流肋的抵消作用使前后缘壁面换热减弱。而在间断肋方案的研究中发现合适的间断肋方案可以显著增强靠近内侧壁区间的前缘壁面换热,当流向肋间距增大时,换热性能逐渐降低;内侧扰流肋角度从30°增加到90°时,通道内流阻及前缘面上的换热先增大后减小;横向肋间距增大导致流阻和换热均下降。本文通过研究哥氏力对射流冲击换热的影响机制发现,旋转效应产生的周向哥氏力带动径向横流向后缘面偏移,使靶面换热逐渐降低;调节射流孔的径向或周向倾角可以修正射流方向来抵消径向横流以及横向哥氏力的作用,有助于换热均匀性的提升但对换热增强没有明显帮助;将射流孔形状改进为跑道形时有利于抵消径向横流,使射流穿透横流的能力增强从而提高在靶面的冲击效果;使用双旋涡通道可以显著提升通道靶面上的换热,该通道内形成的旋涡有效地抵消哥氏力的不利影响,增大了高换热区域的面积。本文通过对旋转尾缘通道内的扰流换热研究发现,倾斜扰流柱有助于增加扰流柱尾迹区域二次流强度,提高近壁区被加热的气体与主流区低温气体间的掺混和热量交换,并防止了热边界层过厚导致的热阻增大,选择合理的倾斜方向有助于抵消哥氏力的不利作用;圆柱凸方案的使用也有利于提升尾迹区二次流强度,并对降低通道流阻作用明显;圆台方案的研究表明圆台根部的钝角型壁面夹角强化了能增强局部换热的马蹄涡,因此将钝角侧布置在换热弱的吸力侧的方案更有利于均匀提高两侧壁面的换热。本文最终将研究的各部位冷却结构单元应用于某一典型涡轮动叶叶型并进行了全三维流固耦合计算。总体来看,各个基本单元内研究所得的换热分布规律在该涡轮动叶内依然成立:使用无量纲流向肋间距为0.2的间断肋方案比对应的连续肋方案换热能力强;双旋涡通道射流从冲击孔到达靶面的行程短并且横流高速区远离前缘靶面,特别是对压力侧换热有显著的提升效果,一定程度上抵消了哥氏力的不利影响;在尾缘处,仅从增强换热的角度出发,倾斜圆柱凸方案的换热性能最佳。
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叶片冷却,技术发展

大的冷却效果的特点，能够最大限度的降低涡轮叶片等热端部件结构的壁面最高温度以及温差造成的热应力。图1-1 涡轮进口温度发展与叶片冷却技术发展[4]Fig. 1-1 The development of gas turbine inlet temperature and the cooling technique影响涡轮叶片内部换热效果的因素很多，除几何参数（如通道截面形状、扰流肋柱形状、冲击孔和靶面形状、以及各个冷却单元之间的间距和排布方式等）外，还与冷气参数（如雷诺数）有关。除此之外，考虑到动叶在旋转条件下工作，还要考虑到旋转参数（如旋转数，离心力，，浮力数，旋转通道方向角等）对换热的影响。涡轮动叶作为燃气轮机中的一个热端部件，工作在高温、高压、高转速以及高叶片负荷的恶劣环境中，在受到高温燃气氧化侵蚀的同时，叶片内部还受到气动应力、离心应力以及热应力等作用力，可以说设计可靠的涡轮动叶冷却方案，在高效降低涡轮叶片温度的同时提高换热的均匀性

示意图,涡轮静叶,示意图

第 1 章绪论- 3 -图1-2 涡轮静叶冷却示意图[5]Fig. 1-2 Turbine vane cooling schematic图1-3 涡轮动叶冷却示意图：(a)外部冷却 (b)内部冷却[6]Fig. 1-3 Turbine blade cooling schematic (a) External cooling (b) Internal cooling1.2 国内外研究发展现状Rudey[7]指出，在未来使用空气等其他气体作为冷却介质，配合空心叶片内部的复合冷却结构，仍然是燃气轮机热端部件热防护的主要手段，目前先进的涡轮动叶复合冷却结构主要包含三个内部冷却区域：叶片的中弦区主要采用带有扰流肋的回转通道，叶片前缘多采用冲击冷却射流，而尾缘部分则采用扰流柱形式的冷却。扰流肋和扰流柱增强换热的基本原理是增大换热面的粗糙度，使冷却气体湍流运动加剧，通过强化对流来促进近壁面被加热的气体和中心低区温气体间质量
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TK471

【参考文献】