燃气轮机高温壁面冷却结构设计及冲击冷却特性研究

发布时间：2020-07-25 14:40

【摘要】：随着工业技术的不断革新,能源已成为推动社会发展和经济发展的基本源动力。但当今社会仍面临着因能源利用率低所造成的巨大的环境问题,如何提高机械系统效能利用率已成为当今世界性难题。燃气轮机被命名为机械技术皇冠上的明珠,以其高效、清洁广泛应用于航空航天、电力能源、军事国防等领域。多年的发展使得我国在燃气轮机制造领域有着长足的进步,但距离国际先进水平相比仍存在很大差距。具体体现在没有掌握核心技术,热端部件设计、制造、维修及控制等关键问题仍需攻关。核心技术自主研发和国产化已成为保证经济发展和国防建设所亟待解决的重大问题,国家先后在2015年出台的《中国制造2025》中指出“要组织实施包括航空发动机及燃气轮机等在内的一批创新和产业化专项、重大工程”;在2017年国家发改委和国家能源局联合印发《依托能源工程推进燃气轮机创新发展的若干意见》等多项国家政策措施内容均提及大力发展具有自主知识产权的国家战略型装备技术,是实现制造强国战略目标的重要手段。本文结合国家自然科学基金项目《仿生非光滑表面结构冲击冷却关键技术研究》对燃气轮机高温部件简化模型表面结构进行了设计,同时探讨了仿生结构在高温壁面冲击冷却中的应用,并分析了仿生结构对壁面冲击冷却特性的影响。主要工作包括:第一,本文从燃气轮机高温部件冲击冷却特性出发,研究了流体力学数值模拟方法,对控制方程、离散化方法进行了研究。通过分析冷空气和喷雾复合冲击冷却方法及机理,选用兼顾运算效率和运算时间的Realizable k-ε模型作为冲击冷却流场分析的湍流模型,并确定了本文分析中所需的近壁面函数及评价函数。第二,作为一种有效的冷却方式,扰流柱结构在高温部件壁面模型中,起到了扰流强化换热的作用。本文分别在空气和喷雾冲击冷却条件下,对扰流柱结构高温壁面模型的流动特性及换热特性进行了数值模拟。通过结构对比表明,具有扰流柱结构的高温部件壁面较光滑壁面具有更好的冲击冷却效果;喷雾式复合冷却方式壁面换热最优。因此,在高温部件壁面排布扰流柱结构将有利于提高高温壁面冲击冷却效果。第三,向自然学习,基于仿生学思想,模拟沙丘成型机理,探讨了仿生结构设计在高温壁面上应用的可行性,通过分析表明仿沙纹肋式结构具有较好的换热效果。随后,通过对比仿沙纹肋式结构冲击孔的排布距离,发现仿沙纹肋式结构布置位置越靠近冲击孔,受对称涡流影响的越小,冷却效果越好。而后,分析了不同仿沙纹肋式结构对冲击冷却的影响,发现仿沙纹肋高度越高,沿着高温壁面流动的冷却介质能量消耗越大,冷却效果越差。第四,在前文的仿生研究基础上,通过分析蝴蝶翅膀“塔型”微结构特点,建立了仿蝴蝶肋式结构模型。首先,通过仿沙纹肋式结构模型的冲击冷却分析,确定了仿蝴蝶肋式结构排布位置。然后,分别对四种不同形状的结构进行了流场和温度场对比分析,发现尖角脊蝶肋结构模型对冷却腔和高温壁面的换热效果要强于圆角脊蝶肋结构模型。而后,通过分析仿蝴蝶式结构高度参数对其高温壁面冲击冷却影响,发现改变肋式结构的高度,将影响冲击孔到冷却腔封闭面区域内冷却介质的流动,进而影响高温壁面的冷却效果。最后,对全文进行了系统的总结并对未来的工作进行了展望。
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TK472
【图文】：

燃气轮机

图 1.1 应用在不同领域的燃气轮机Fig 1.1 Gas turbine of different fields随着技术的发展，现代燃气轮机的主要功能早已不单单是为了节省马力，作为迄今为止发电转换效率最高的机械装置，燃气轮机广泛应用于发电、车辆动力、舰船、航空航天等工业制造领域，图 1.1 展示了不同领域中的燃气轮机。当前通过联合循环燃气轮机组所产生的电能约占全球总发电量的 22%，并有不断提高的趋势[6]。相比于往复式发动机，燃气轮机具有功率重量比更小、燃料适应性更佳、持续高功率输出中更少运动部件带来的低维护成本和高可靠性、完全燃烧带来的高效能源转换及清洁排放等优点。在相同输出功率的前提下，柴油燃机是燃气轮机 5 倍大小，而蒸汽轮机与燃气轮机的体积差则达到了 10 倍，燃料转化效率却远低于燃气轮机。燃气轮机是制造业发展与技术研究领域共同孕育的结晶，进而被誉为“工业皇冠上的明珠”。重型燃气轮机的研发和制造水平不仅代表了一个国家理论学科和工业领域发展的综合实力，更是关系到民生、能源、军事、国防的战略性产业，是衡量国家综合国力的标志。发达国家无不投入大量研发资

实验结果,气膜冷却

图 1.8 Rundstrom 实验结果图Fig 1.8 The Results of Rundstrom’s experiment障涂层技术及气膜冷却方法的研究 1.6（d）所示，热障涂层技术（TBC）比较广泛的应用于燃气轮机的保护其金属表面免受高温气体的破坏。具体的实施方案是在设计好的表面，喷涂一层热导系数低且本身具有耐高温性质的涂层材料，如在正常工况内工作运转时，热障涂层表面将会克服原本涡轮叶片和燃到的热应力分布不均、高温极限和腐蚀性化学成份等恶劣工况造成的层表面是固体材料，在材料与加工上有更多的可操作空间。因此，目然几乎被用于所有热端部件，但相关研究的进展主要依赖于高温材料术的进步。气膜冷却技术，见图 1.6（e），早期为了获得理想的隔离冷缝出流口。狭缝结构会破坏叶片的整体结构强度，以至于气膜冷却的

研究脉络

CFD仿真分析，探究其在燃气轮机过渡段双腔室结构中对冲击冷却的传热、扰流效果影响，并探讨文中仿生肋式结构冲击冷却的作用机理。全文的研究脉络如图1.11所示。为了实现上述的研究目标，本文主要研究了以下内容：（1）从燃气轮机高温部件冲击冷却流场及热场分析理论出发，讨论了CFD数值模拟方法，对控制方程、离散化方法和湍流模型进行了设计和研究。在考虑兼顾运算效率和运算时间的前提下，选取Realizable k- 模型作为高温壁面冲击冷却流场分析的湍流模型。同时分析了冷空气和喷雾复合冲击冷却方法及机理，并确定了本文分析过程中所需

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