涡轮叶片温度场重构及温度分布特征研究

发布时间：2020-06-10 01:32

【摘要】：燃气轮机作为目前热效率最高、应用最广的热动力装置,在航天、航空、船舰和能源等多个领域中发挥着巨大的作用。涡轮叶片作为燃气轮机运行过程中工作负荷最高的零部件之一,由于长时间处于高温、高压、高速旋转的工作状态,容易出现表面涂层脱落、缺损和断裂等故障,不仅会影响燃气轮机的使用寿命,还可能造成安全隐患甚至引发事故,因此进行涡轮叶片的温度测量及特征研究对燃气轮机的发展具有重要的意义。获取涡轮叶片温度特征的方法不仅是研究难点、也是研究重点,通过叶片表面的温度分布特征,能够准确的分析叶片的加工工艺、冷却性能并预测使用寿命等。本文采用计算流体力学(CFD)的知识进行涡轮叶片温度场数值模拟,通过建立叶片模型,设定燃气体积、温度和压强等条件模拟叶片运行状态,由此得出叶片表面温度场数据。根据得到的叶片模型,本文提出了一种能够实现叶片表面全扫描的辐射测温法改进方案,传统辐射测温法采集到的是叶片轴向上从前缘到尾缘的一条直线上面的温度数据,无法准确反映整个叶片表面的温度分布情况。本文提出针对测温探头部分的改进方案,通过增设步进电机控制反射镜旋转、探头旋转和伸缩,使测温探头能够同时在叶片的轴向和径向移动,使扫描区域可以覆盖整个叶片,实现温度场重构。根据得到的温度场数据,画出吸力面和压力面的归一化温度曲线,并结合叶片的形状、曲率、燃气流向等环境因素对温度分布特征进行分析。为进一步研究同一周期内涡轮叶片的温度分布一致性特征,本文采用特征提取比对的方式。通过余弦匹配的方法进行峰值分割得到叶片温度数据,提取无量纲指标作为时域特征,将小波包分解后的频带能量特征作为频域特征,二者共同构成代表叶片温度分布信息的特征向量,最后再通过主成分分析(PCA)得到经过线性重构去除相关性的主成分特征向量。将同一旋转周期内所有叶片的温度分布特征向量均值作为该周期的温度分布基准特征向量,将每个叶片的温度分布特征向量与基准特征向量进行对比并求出二者之间的相对偏差,根据偏差值即可判断叶片温度分布情况的一致性。该研究成果可以用于从温度特征角度观察叶片工作状态,为叶片故障诊断及寿命预测提供了研究基础。
【图文】：

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最后进行系数的叠加计算[39]。所以说，SST格式的k-ω模型不仅提取了k-ω模处理壁面问题时的一系列优点，同时还引入了k-ε 模型来处理自由流问题。因此，SST格式的k-ω模型的使用空间更大，是目前在进行燃气轮机涡轮叶片的研究领域内主要采用的湍流模型。在进行涡轮叶片温度场分析时，由于叶片的物理也有较多的壁面问题需要处理，因此采用SST格式的k-ω模型是进行叶片温度场分最优选择。.1.5 温度场模拟流程要完成涡轮叶片温度场的数值计算工作，需要分别通过前处理器CFX Pre、求CFX Solver和后处理器CFX Post三个模块按照顺序依次完成各自的工作。1. 首先，通过CFX Pre建立涡轮叶片的物理模型，在规定流体域及流体属性后行叶片模型的网格划分，最后设定叶片的边界条件、初始场及求解器计算参数；2. 通过CFX Solver求解温度场数据并监视温度曲线的收敛过程；3. 通过CFX Post分析处理得到的计算结果。

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第 2 章叶片温度场重构及温度分布特征分析原理采集设备和现场计算机四部分构成。在涡轮叶片测温研究中，由于叶片需要时刻保持在高温、高压的条件下保持高速旋转，因此选择辐射测温法，由于不和待测物彼此接触，因此传感器部分被腐蚀或发生损坏的可能性更小，能够测量高温甚至超高温物体，因此采用辐射测温技术构建传感器部分。通过测温探头获取被测物叶片表面辐射的光信号，由光电转换部分将辐射光信号转化成对应电信号，再根据函数关系换算成温度数据，然而通过光电转换得到的电信号信号强度较为微弱，，因此需要再增设调理电路对微弱的电信号进行放大以及去噪滤波等操作；采集设备对调理板输送的电信号进行数字化采样，并将结果传送至现场计算机；计算机作为负责显示、数据计算、储存以及后期处理的载体，是测温系统的核心设备，涡轮叶片辐射测温系统的结构图如图 2.2 所示。
【学位授予单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TK474.811

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