燃气涡轮叶片尾缘冷却结构的参数化设计及数值分析

发布时间：2017-09-14 22:02

  本文关键词：燃气涡轮叶片尾缘冷却结构的参数化设计及数值分析

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【摘要】：燃气轮机在航空、船舶及发电领域应用非常广泛,随着社会的发展,燃机技术也在不断发展,而提高涡轮前温度是提高燃机性能的重要措施之一,但随之带来了叶片材料无法耐受高温的问题,要确保燃机正常运行,就需要采用先进的冷却技术。叶片尾缘冷却受限于空间狭小,具有温度高及应力集中的特点,导致冷却结构设计困难,在设计冷却叶片时需要特别重视。其次叶片冷却结构的设计是一个“设计-校核-改进”的迭代过程,需要不断的修改和优化,这势必会导致设计过程费时费力,所以有必要提出一种高效的设计方法。为提高设计效率,本文基于已有的叶片前缘及中部冷却结构参数化建模的基础,搭建了复合冷却结构参数化设计优化平台,其基本思想为:将叶片冷却结构化整为零,分析冷却结构的特征参数,确定冷却结构的实现流程及方法,编写Matlab程序实现参数化方法功能,编写NX二次开发程序实现结构造型功能,利用平台调用二次开发程序即可实现快速建模与优化,可大幅度减少设计成本,提高设计效率。首先,本文提出并建立了半/全劈缝、圆形/水滴形扰流柱群、旋流冷却结构及新型三维尾缘冷却结构-编织结构的参数化设计方法;其次利用参数化设计平台,基于某燃机一级静叶分别构建了四种不同尾缘结构的复合冷却叶片,叶身冷却特征包括:气膜孔、冲击孔、绕流肋和隔板等结构;尾缘结构分别是:半劈缝+圆形/水滴形扰流柱群、旋流冷却及编织结构;最后对复合冷却叶片进行气热耦合数值计算,分析了尾缘结构的冷却机理。当尾缘为扰流柱群结构时,叶片在复合冷却的作用下,除尾缘叶根处存在局部高温区外,叶片温度达到了设计要求;水滴扰流柱群相比圆形扰流柱群结构压力损失系数低42.9%,叶片后腔冷气进口压力更低,后腔气膜孔出流流量更大;圆形柱群内部由于马蹄涡与通道涡的影响具有更强的换热能力,但水滴形柱群的综合换热系数相对圆形柱群高47.07%,应用价值更高。尾缘旋流冲击结构与编织结构具有更高的压力损失系数,尾缘冷气出流流量进一步减小,后腔气膜孔出流流量更大。旋流冲击结构中换热能力为冲击通道旋流腔收缩通道,流动在旋流腔内形成纵涡,叉排冲击通道使流体冲击后充分混合,上述因素增强了换热;编织结构相比旋流结构叶片尾缘吸力侧温度降低,高温区面积减小;编织通道的弯曲特性增大了换热的长度及面积,流动通道不断交汇和分离使得冷气充分混合,在下游通道内形成复杂的涡系,上述因素增强了通道的换热;编织结构在展向与流向的换热均匀,综合以上优点可知编织结构应用价值更高。本文的成果对复合冷却叶片的设计与研究具有一定的参考价值。
【关键词】：燃气轮机 尾缘冷却 参数化设计 气热耦合
【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】：2016
【分类号】：TK472
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 绪论9-22
• 1.1 研究背景及意义9-11
• 1.2 叶片尾缘冷却结构的国外研究现状11-15
• 1.3 叶片尾缘冷却结构的国内研究现状15-17
• 1.4 参数化设计17-20
• 1.4.1 研究现状17-19
• 1.4.2 UG二次开发19-20
• 1.5 国内外文献综述的简析20
• 1.6 本文的研究目的及主要内容20-22
• 第2章 数值计算理论22-33
• 2.1 引言22
• 2.2 湍流模型22-26
• 2.2.1 涡粘系数法湍流模型23-25
• 2.2.2 壁面函数25-26
• 2.3 气热耦合26-27
• 2.4 数值验证27-30
• 2.4.1 计算模型27-29
• 2.4.2 数值与实验结果对比29-30
• 2.5 本文数据分析方法30-32
• 2.6 本章小结32-33
• 第3章 叶片尾缘冷却结构的参数化设计33-50
• 3.1 引言33
• 3.2 复合冷却叶片参数化设计平台33-35
• 3.2.1 参数化设计流程34
• 3.2.2 NX二次开发流程34-35
• 3.3 劈缝参数化方法35-37
• 3.3.1 半劈缝创建方法35-36
• 3.3.2 全劈缝创建方法36-37
• 3.4 扰流柱参数化方法37-42
• 3.4.1 圆柱形扰流柱参数化方法37-39
• 3.4.2 水滴形扰流柱生成步骤及方法39-42
• 3.5 旋流冲击冷却结构参数化方法42-45
• 3.6 编织冷却结构参数化方法45-49
• 3.7 本章小结49-50
• 第4章 尾缘扰流柱设计的复合冷却叶片气热耦合研究50-75
• 4.1 引言50
• 4.2 复合冷却叶片结构设计50-56
• 4.2.1 叶片前缘及中部冷却结构设计51-54
• 4.2.2 扰流柱尾缘冷却结构设计54-56
• 4.3 网格划分及模型建立56-60
• 4.3.1 网格划分57-59
• 4.3.2 计算模型及边界条件59-60
• 4.4 尾缘扰流柱设计的复合冷却叶片的气热耦合结果分析60-74
• 4.4.1 尾缘冷却结构对叶片整体及后腔的影响60-64
• 4.4.2 不同扰流柱通道的换热冷却分析64-68
• 4.4.3 不同扰流柱通道的流场特性分析68-73
• 4.4.4 综合性能评估及对该叶片的结构建议73-74
• 4.5 本章小结74-75
• 第5章 新型高效扰流结构在叶片尾缘的应用75-95
• 5.1 引言75
• 5.2 带旋流冲击尾缘结构的冷却叶片气热耦合计算75-84
• 5.2.1 旋流冲击尾缘结构设计与模型建立75-77
• 5.2.2 旋流冲击尾缘冷却结构的数值分析77-84
• 5.3 编织型尾缘结构的冷却叶片气热耦合计算84-93
• 5.3.1 编织型尾缘结构设计与模型建立84-85
• 5.3.2 编织型尾缘冷却结构的叶片数值分析85-93
• 5.4 本章小结93-95
• 结论95-97
• 参考文献97-102
• 致谢102

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本文编号：852560