镍基合金涡轮叶片复合冷却结构多场耦合仿真

发布时间：2020-07-01 00:13

【摘要】：航空,航天,航海和地面发电行业将燃气轮机及辅机做为产生动力的主要设备。当前随着中航发集团的重组成立,两机重大专项的落地,发展燃气轮机技术已经成为我国发展飞行器动力、舰船动力、能源电力等行业的关键。当前设计工作者主要基于涡轮复合冷却结构流场和温度场的仿真结果对涡轮叶片的模型进行设计,改型,再设计的过程。但是随着涡轮前温度的提高,冷却结构的设计越来越复杂,各种新型材料(定向凝固合金,单晶合金)应用于涡轮叶片的制作生产,单一的温度场和流场的仿真结果是不够的,我们需要综合多物理场的数据从而提出更佳的设计和改型方案。在气热耦合验证方面,本文使用MarkⅡ叶型作为研究对象,对比并分析了五种湍流模型(k-ω、k-ε、sst、ssg、BSL Reynolds Stress)的气热耦合仿真结果与实验结果。考虑本文中模型和实际实验室计算资源的情况,选取k-ω湍流模型作为涡轮叶片模型全三维气热耦合仿真的湍流模型。在ANSYS-CFX平台下对已经具备初步设计的某燃气轮机一级涡轮动叶进行全三维气热耦合计算,分析温度场云图和流场云图,提出七条改型方案。完成改型后,对改型结果进行CFX全三维气热耦合仿真,从温度分布和流动的角度来看,改型具有明显的效果。针对原型模型和改型模型,基于Abaqus商业有限元数值软件进行了热固耦合计算,得到原型和改型涡轮叶片叶身名义应力分布情况。热固耦合通过Fortran语言编写交接面插值程序,在Matlab下写Abaqus有限元模型文件来实现。从名义应力场的角度来看,之前的七处改型仍然表现出良好的效果。但同时原型和改型叶片也都反映出了一个共同的问题,即冷气入口处换热过于剧烈,这导致了该处局部热应力集中。基于有限变形晶体塑性滑移理论,通过Abaqus子程序计算原型和改型叶片叶身最大分切应力的分布云图。从最大分切应力场来看,之前基于流动换热结果的改型具有一定的效果,改型叶片模型最大分切应力峰值相比原型有一定的下降,而且高应力面积也有一定的下降。本文指出,改型镍基合金涡轮叶片仍然需要针对较为明显的正负最大分切应力交接线进行深入研究,开展进一步的改进设计。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TK473
【图文】：

温度分布,冷却结构,动叶,涡轮

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文除此之外，传统的数值计算、分析和设计方法已经远远不能满足先进涡轮叶片合冷却结构的设计需求。如图 1-2 所示，燃气轮机的一级涡轮动叶一般采用，蛇冷却气流通道、扰流肋强化对流、射流冲击冲击、气膜冷却以及尾缘冷却等冷却式[12]。过去设计者常使用单一气热耦合的方法来验证各个冷却结构的布置是否到了设计要求。但是单独根据流场和温度场的标准来设计复合冷却结构是远远够的。由于叶片冷却的存在，叶片内部的温度分布将不均匀化，温度梯度和叶片几何约束会导致叶片中的热应力集中。满足叶片表面温度分布的设计要求相对很简单的，增加气膜孔数量和直径或者是增加扰流肋的数量都可以轻松地达到计目标，但是没有应力场的考量的话其设计过程也会不完全合理的。因此提出一针对涡轮动叶热应力分析和强度分析的方法能够为燃气轮机涡轮动叶复合冷却构的设计提出指导性的建议。

冷却结构

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文1.2 主要的涡轮冷却技术概述通过图 1-3，我们可以发现，涡轮前温度随着复合冷却结构的发展不断提高。同时，燃气轮机的整体性能与涡轮前温度密切相关，极小的温度差便会导致燃机性能上完全不同的表现。因此为了提升燃机涡轮前温度，燃气涡轮冷却技术也有了快速的发展。燃气涡轮的冷却方式分为被动方式与主动方式，被动冷却通过提升涡轮叶片材料性能的方式来提高燃机性能，包括有使用高强度耐高温材料铸造涡轮叶身，在叶片表面覆盖热障涂层等方式。热障涂层一般具有极强的隔热性能，可以阻止高温燃气直接冲击叶身实体，保护叶片中的承力部分。涂层的表层通常覆盖一层陶瓷材料，这是涂层中的关键层，表层材料一般有高热反射率、低热导、高熔点、低密度等特点，同时具有稳定的高温性能。在机械性能上，热障涂层与叶片主体相适应的热胀系数以及高强度和优秀的机械性能[14]。

【参考文献】