预旋角对径流涡轮背盘射流冷却的影响

发布时间：2021-02-02 22:33

　　采用背盘射流冷却技术对径流式涡轮机热负荷较大的区域进行冷却。采用气热耦合的方法,研究了该冷却技术在预旋角为60°～120°内对背盘冷却特性的影响。结果表明:背盘射流冷却可以大幅提高径流涡轮背盘的冷却效率;预旋角为60°时背盘冷却效果最好,随着预旋角的增加,背盘冷却效果变差;相同径向位置时,冷却系数在0.01～0.02,预旋角每增加15°,背盘平均冷却效率约降低0.003,当冷却系数为>0.02～0.04时,预旋角每增加15°,背盘平均冷却效率降低0.016～0.050;冷却流体流入涡轮主流流道后,涡轮机效率受到冷却流体的影响而降低,当预旋角为60°时,冷却流体对涡轮机效率影响最小。 

【文章来源】：动力工程学报. 2020,40(05)北大核心

【文章页数】：8 页

【部分图文】：

涡轮性能实验台原理图

计算过程中采用气热耦合的方法,将涡轮固体的导热考虑在计算模型内,可以更准确地对涡轮冷却特性进行仿真计算。国内外学者对该方法及其准确性进行了研究[11-15],结果表明气热耦合方法能较真实地反映实际冷却特性。计算采用CFX16.0软件,基于有限元的有限体积法及全隐式方法求解三维定常N-S方程。选取SST两方程模型作为湍流模型,同时考虑到转捩的影响,采用Gamma Theta Model转捩模型,计算收敛标准为各项残差降至10-6以下并不再变化。

分析以上现象产生的原因,无冷却时,由于受到涡轮固体区域轴向传热及主流高温气体的直接冲击,因此在涡轮背盘外缘温度最高,热量由背盘外缘沿径向向内传递,背盘温度沿径向逐渐降低。有冷却时,冷却气体直接冲击冷却外缘热负荷较大的区域,带走了背盘外缘的热量,阻碍了热量沿径向向内传递,同时通过对流冷却带走了盘内的热量,因此盘面的总体温度降低。由于高转速工况下,涡轮转盘的线速度明显高于射流速度,射流冲击的靶面滞止区向下偏转,导致低冷却区域在背盘正对射流孔区域下游(沿旋转方向)。背盘表面对应9个叶片流道,其表面温度较高的区域恰好对应叶片叶根位置,这主要是因为涡轮叶片与主流气体的接触面积较大,吸入的热量较多,使得涡轮叶片在相应的背盘位置更难冷却。气体沿主流流道不断膨胀,使气体的焓不断减小,导致沿流动方向的叶片温度不断降低,当有冷却时冷却气体与主流气体掺混加剧了焓的降低程度。图3 不同冷却系数下的涡轮背盘平均冷却效率和叶尖最低冷却效率

【参考文献】：
期刊论文
[1]叶片蒸汽冷却耦合换热特性的数值研究[J]. 杜长河,李亮,丰镇平.  动力工程学报. 2015(02)
[2]预旋进气小尺寸涡轮叶片冷却的流场研究[J]. 朱强华,吉洪湖,张勃,陈宝延,关胜如.  推进技术. 2012(05)
[3]预旋进气小尺寸涡轮叶片冷却的流动换热[J]. 朱强华,吉洪湖,张勃,曹广州,陈宝延,关胜如.  推进技术. 2012(03)
[4]内冷涡轮叶栅三维气热耦合数值模拟[J]. 苏生,刘建军,安柏涛.  航空动力学报. 2007(12)
[5]带进气预旋的旋转空腔平均换热特性研究[J]. 丁水汀,陶智,徐国强,袁怡祥,邱绪光.  航空动力学报. 1998(03)



本文编号：3015476