基于冲击的燃气轮机透平叶片冷却结构研究

发布时间：2017-10-08 09:06

  本文关键词：基于冲击的燃气轮机透平叶片冷却结构研究

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【摘要】：燃气轮机是广泛应用的能源动力设备。燃气轮机的透平冷却对整机的效率、功率和寿命都有直接影响。在燃气轮机的透平冷却中,冲击冷却对动、静叶和护环冷却都有很大贡献。本文以动叶中的冲击冷却结构为研究对象,通过实验和数值方法,开展了复杂冲击冷却单元的传热和阻力特性研究,完成了各类冲击冷却单元和全叶片的一维经验建模,搭建了基于冲击的叶片内部冷却结构优化平台,发展了基于冲击冷却的新型叶片内部冷却结构。动叶中一般涉及的冲击冷却单元包括带气膜的前缘冲击、带防横流和柱肋结构的阵列冲击、通道间倾斜冲击等。本文通过瞬态液晶实验和三维数值计算方法,研究了这些单元的传热和阻力特性。定性解释了冲击冷却累积横流和射流的交互机制,发现了开尔文-亥姆霍兹不稳定性在射流和横流交界面的作用,揭示了横流导致射流振荡并产生壁面非定常传热的过程。定量分析了气膜抽吸、孔板几何、靶面几何、倾斜孔和旋转等因素对冲击传热和阻力的影响。传统的冲击冷却经验模型无法满足新型结构的设计需求。本文总结实验和数值的研究结果,利用拟合方法提出了前缘冲击冷却的气膜抽吸修正因子,复杂阵列冲击的下游阻力关联式、倾斜孔冲击的传热关联式及其旋转修正因子。同时,结合已有的各类辅助元件和前人发展的一维管网求解器,搭建了全叶片内部冷却管网模型。通过嵌套遗传算法和实验数值验证手段,建立了全叶片内部冷却的优化平台。动叶中如何布置冲击冷却单元是叶片冷却设计的主要问题。经过拓扑分析和参数优化,本文发展了倾斜冲击、双层冷却和串联冲击三种基于冲击冷却的内部冷却结构。通过瞬态液晶实验和三维耦合数值方法,分析了各类结构的传热、阻力和流热耦合特性。结果表明倾斜冲击结构具有压损小和传热相当的特点,并具有进一步提升的潜力;双层冷却结构压损和传热过小,不适合于气膜冷却较少的叶片;串联冲击结构具有压损相当和传热增强的特点,具有更优的冷却性能。本文发展的串联冲击结构和传统带肋通道结构相比,可以在相同冷气参数的条件下,提升内部传热25%。
【关键词】：冲击冷却 内部冷却 燃气轮机 优化
【学位授予单位】：清华大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TK473
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-13
• 第1章 引言13-38
• 1.1 燃气轮机和冷却技术13-15
• 1.2 透平叶片内部冷却15-22
• 1.2.1 内部冷却的基本形式17-19
• 1.2.2 透平叶片的近壁冷却结构19-22
• 1.3 透平叶片冲击冷却的研究现状22-32
• 1.3.1 冲击冷却的布置形式22-23
• 1.3.2 前缘单排孔冲击冷却23-26
• 1.3.3 阵列冲击冷却26-29
• 1.3.4 倾斜冲击冷却29-30
• 1.3.5 旋转效应的影响30-32
• 1.4 冲击冷却的研究方法32-35
• 1.4.1 实验方法32-33
• 1.4.2 三维数值方法33
• 1.4.3 一维管网方法33-34
• 1.4.4 优化方法34-35
• 1.5 研究现状总结和本文的研究目的35-38
• 1.5.1 研究现状总结35-36
• 1.5.2 本文研究目的36-38
• 第2章 透平叶片冲击冷却实验装置及测量系统38-49
• 2.1 本章引言38
• 2.2 静止透平叶片内部冷却实验台38-41
• 2.3 旋转透平叶片内部冷却实验台41-43
• 2.4 瞬态液晶测量技术43-48
• 2.4.1 瞬态液晶测量原理43-45
• 2.4.2 热色液晶的标定45-46
• 2.4.3 瞬态液晶实验的可重复性46-47
• 2.4.4 瞬态液晶实验的不确定度47-48
• 2.5 本章小结48-49
• 第3章 透平叶片冲击冷却的数值方法49-55
• 3.1 本章引言49
• 3.2 冲击冷却的三维数值方法简介49-50
• 3.3 针对叶片冷却结构的一维管网计算方法50-53
• 3.3.1 经验关联式51-53
• 3.4 针对叶片冷却结构的遗传算法和优化策略53-54
• 3.4.1 遗传算法53-54
• 3.4.2 优化平台54
• 3.5 本章小结54-55
• 第4章 动叶气膜抽吸对前缘冲击冷却的影响特性研究55-79
• 4.1 本章引言55-56
• 4.2 无气膜冷却的动叶前缘冲击冷却特性56-65
• 4.2.1 研究对象和参数描述56
• 4.2.2 实验结果56-58
• 4.2.3 数值方法验证58-61
• 4.2.4 前缘冲击冷却的流场特征61-64
• 4.2.5 前缘冲击冷却的传热特征64-65
• 4.3 带气膜孔的动叶前缘冲击冷却特性65-75
• 4.3.0 研究对象和参数描述66-67
• 4.3.1 数值方法验证67-69
• 4.3.2 气膜位置对前缘冲击的影响69-71
• 4.3.3 气膜间距对前缘冲击的影响71-72
• 4.3.4 气膜孔间角对前缘冲击的影响72-75
• 4.4 带气膜孔条件下动叶前缘传热和压损的修正模型75-77
• 4.4.1 阻力模型75-76
• 4.4.2 传热模型76-77
• 4.5 本章小结77-79
• 第5章 动叶阵列冲击冷却的冷却特性研究79-98
• 5.1 本章引言79
• 5.2 研究对象描述和数值验证79-82
• 5.2.1 研究对象描述79-80
• 5.2.2 数值模拟设置80-82
• 5.3 防横流结构和柱肋对阵列冲击冷却的影响82-92
• 5.3.1 几何参数对压力损失的影响82-85
• 5.3.2 几何参数对传热系数的影响85-88
• 5.3.3 冷却和阻力特性的对比88-89
• 5.3.4 热流耦合结果和整体冷却效率89-92
• 5.4 旋转对阵列冲击冷却的影响92-94
• 5.5 阵列冲击冷却的压损和传热模型94-97
• 5.5.1 阻力模型94-96
• 5.5.2 传热模型96-97
• 5.6 本章小结97-98
• 第6章 动叶通道间倾斜冲击冷却特性研究98-113
• 6.1 本章引言98
• 6.2 研究对象描述和数值验证98-101
• 6.3 静止条件下通道间的倾斜冲击冷却特性101-103
• 6.3.1 流场特征101-102
• 6.3.2 传热分布特性102-103
• 6.4 旋转条件下通道间的倾斜冲击冷却特性103-108
• 6.4.1 流场特征103-106
• 6.4.2 传热分布特征106-108
• 6.5 动叶通道间的倾斜冲击冷却模型108-112
• 6.5.1 阻力模型108-109
• 6.5.2 传热模型109-112
• 6.6 本章小结112-113
• 第7章 基于冲击冷却的新型动叶冷却结构研究113-151
• 7.1 本章引言113
• 7.2 结构优化的边界条件和约束条件113-116
• 7.3 传热实验和三维数值模拟的设置116-117
• 7.4 叶片内部结构拓扑分析和参数化建模117-120
• 7.5 传统带肋通道冷却叶片的特性120-127
• 7.5.1 带肋片通道叶片管网优化120-122
• 7.5.2 带肋片通道叶片传热实验122-124
• 7.5.3 带肋片通道叶片流热耦合模拟124-127
• 7.6 倾斜冲击冷却叶片的特性127-133
• 7.6.1 倾斜冲击叶片的管网优化127-129
• 7.6.2 倾斜冲击叶片传热实验129-131
• 7.6.3 倾斜冲击叶片的流热耦合模拟131-133
• 7.7 双层冷却叶片的特性133-140
• 7.7.1 双层冷却叶片的管网优化133-135
• 7.7.2 双层冷却叶片传热实验135-137
• 7.7.3 双层冷却叶片的流热耦合模拟137-140
• 7.8 串联冲击冷却叶片的特性140-148
• 7.8.1 串联冲击冷却叶片传热实验143-145
• 7.8.2 串联冲击冷却叶片的流热耦合模拟145-148
• 7.9 冲击冷却叶片与传统冷却形式的对比148-149
• 7.10 本章小结149-151
• 第8章 工作总结及展望151-154
• 8.1 本文工作总结151-152
• 8.1.1 带气膜抽吸的前缘冲击冷却特性研究151
• 8.1.2 带复杂孔板和靶面结构的阵列冲击冷却特性研究151-152
• 8.1.3 动叶通道间倾斜冲击冷却的特性研究152
• 8.1.4 基于冲击冷却的叶片内部冷却新型结构的探索152
• 8.2 本文主要创新点152-153
• 8.3 未来工作展望153-154
• 参考文献154-163
• 致谢163-165
• 个人简历、在学期间发表学术论文与研究成果165-166

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本文编号：993150