燃气涡轮叶片复合冷却结构参数化设计与数值研究

发布时间：2017-08-04 09:14

  本文关键词：燃气涡轮叶片复合冷却结构参数化设计与数值研究

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【摘要】：燃气轮机自问世以来,被广泛应用于航空、航海以及能源电力行业,为了获得更高的推重比和效率,涡轮前入口温度被不断提高,目前已经远远超过叶片材料所能承受的范围,为了保证涡轮叶片的正常工作,提高其使用寿命,必须采用复杂的冷却技术。复杂的冷却方式导致叶片总体的结构繁杂,模型的建立和修改耗费大量时间,如何快速设计出满足要求的冷却结构至关重要。本文基于典型的气冷涡轮叶片,提出了各种冷却结构的参数化设计方法,并对某型燃机一级导叶进行了冷却结构设计,分析了叶片各部位的流动换热情况。在参数化设计中,本文将叶片整体结构分解为冷却通道、扰流肋、气膜孔和冲击孔几个基本特征,利用MATLAB与UG二次开发相结合的方法,编写了针对不同冷却结构的参数化设计程序,并详细介绍了设计思路。利用本套程序,在进行气冷涡轮叶片的建模和修改时,只需输入相应的几何参数即可快速生成新的叶片结构,大大提高了设计效率。在对某型涡轮一级导叶的冷却结构设计中,本文先对叶片进行了只带气膜冷却的结构设计,根据无冷却结构时叶片表面的温度分布,确定出各排气膜孔的位置,文中比较了叶片吸力面采用圆形、梯形和扩张型孔时的流动换热情况,发现采用扩张型孔时具有较好的冷却效果,最终确定叶片的前缘和压力面采用圆形孔,吸力面为扩张型孔,尾部则采用劈缝的形式,并对叶片进行了数值模拟,分析了叶片不同位置处气膜孔的流动换热情况。结果表明,采用全气膜覆盖冷却时,叶片表面温度已基本能达到设计要求。之后又在全气膜冷却叶片的基础上添加了冲击和扰流冷却结构,发现冲击和扰流冷却结构能有效的提高叶片内壁面的换热系数,使叶片整体的温度得到进一步降低,但在复合冷却叶片中,气膜冷却起着决定性作用。
【关键词】：燃气涡轮 复合冷却结构 参数化设计 气热耦合 数值研究
【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】：2015
【分类号】：TK473
【目录】：

• 摘要3-4
• ABSTRACT4-7
• 第1章 绪论7-19
• 1.1 课题研究的背景及意义7-9
• 1.2 涡轮叶片冷却技术概况9-15
• 1.2.1 涡轮叶片常用冷却技术9-15
• 1.2.2 典型气冷涡轮叶片结构15
• 1.3 气热耦合数值研究15-16
• 1.4 参数化设计概述16-18
• 1.4.1 参数化设计方法16-17
• 1.4.2 叶片参数化研究现状17-18
• 1.5 本文的主要研究内容18-19
• 第2章 数值计算方法及其验证19-30
• 2.1 引言19
• 2.2 数值计算方法19-24
• 2.2.1 控制方程19-20
• 2.2.2 湍流模型20-22
• 2.2.3 离散化方法22-23
• 2.2.4 网格划分23-24
• 2.3 CFD相关软件介绍24-25
• 2.4 计算方法验证25-29
• 2.4.1 计算模型与边界条件25-26
• 2.4.2 计算结果与实验值的对比26-29
• 2.5 本章小结29-30
• 第3章 涡轮冷却叶片的参数化设计30-42
• 3.1 引言30
• 3.2 叶片外形及冷却通道的参数化设计30-33
• 3.3 扰流冷却结构的参数化设计33-37
• 3.4 气膜和冲击冷却结构的参数化设计37-41
• 3.4.1 气膜冷却结构的参数化设计37-40
• 3.4.2 冲击冷却结构的参数化设计40-41
• 3.5 本章小结41-42
• 第4章 全气膜覆盖冷却叶片的数值研究42-62
• 4.1 引言42
• 4.2 无气膜冷却叶片的数值研究42-44
• 4.3 叶片冷却结构设计及模型建立44-52
• 4.3.1 叶片前缘冷却结构44-45
• 4.3.2 叶片中部冷却结构45-51
• 4.3.3 叶片尾缘冷却结构51
• 4.3.4 计算模型的建立与网格划分51-52
• 4.4 计算结果分析52-61
• 4.4.1 叶片整体温度分析52-54
• 4.4.2 叶片前缘流动及冷却分析54-58
• 4.4.3 叶片中部、尾缘冷却效果分析58-61
• 4.5 本章小结61-62
• 第5章 复合冷却叶片的数值研究62-73
• 5.1 复合冷却结构设计与网格划分62-66
• 5.2 改型前后温度对比66-68
• 5.3 冲击对流冷却的效果分析68-72
• 5.4 本章小结72-73
• 结论73-74
• 参考文献74-80
• 致谢80

【参考文献】

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本文编号：618757