燃氣渦輪冷卻結構設計與氣熱彈多場耦合的數值研究.pdf

1、提高渦輪前燃氣溫度是提升渦輪效率、增加推重比的重要手段。渦輪前進口溫度的不斷提高，遠遠超過了葉柵材料所能承受的溫度范圍。只有采用有效的渦輪熱防護措施才能夠保證葉片安全地正常工作。常用的的渦輪葉片冷卻方式包括氣膜冷卻、沖擊冷卻、擾流肋片、尾緣劈縫等。現代燃氣渦輪必須采用多種冷卻方式的組合才能達到強化冷卻的目的，以滿足渦輪前溫度升高葉片材料不變對冷卻系統(tǒng)提出的新要求。隨著 CFD技術的不斷進步，數值仿真越來越成為渦輪冷卻設計中的有力工具，準

2、確預測渦輪葉片溫度以及應力分布，是提高渦輪壽命和可靠性的基礎。本文的主要工作就是采用氣熱、熱彈耦合計算方法對某燃氣輪機葉柵進行數值模擬，通過對計算結果的理論分析，研究影響渦輪冷卻效率的因素，并且將 CFD計算結果加載到有限元節(jié)點上，分析葉片的等效應力狀態(tài)以及變形量。最后對某兩級四列葉柵進行了冷卻結構設計，并且根據實際冷卻效果，改進初始設計以滿足冷卻設計要求。
　　幾何建模和網格離散是數值仿真研究的重要步驟，對于現代燃氣渦輪葉片來說

3、，為了保證葉片正常工作通常采用多種復雜冷卻手段，使得葉片總體的冷卻結構非常繁雜。本文中對比了傳統(tǒng)手工方法建模與參數化葉片建模兩種方法，詳細介紹了兩種方法的建模過程。非參數化的燃氣渦輪冷卻葉片建模方法靈活、豐富的建模手段能夠精細刻畫局部冷卻結構，多種形式的冷卻孔如復合角度孔、后傾擴張孔都能夠按照當地的冷卻特點布置。但是，該方法存在建模周期長、操作繁瑣而且易于出錯等弊端，而且離散點的方式生成葉片實體結構精度有限。相對于非參數化的幾何模型，渦

4、輪葉片型線經過了參數化，即成為了一種由函數表達曲線的形式。相對于通常采用的一組離散點表達曲線的方法，函數表達的形式避免了由于離散點數量少、間距不合理、位置偏差等問題造成的插值誤差，能夠在造型過程中保證較高的精度，而且經過了參數化過程，在需要修改葉片幾何外形的時候，通過改變相應的控制參數就能方便快捷的生成新的幾何模型，大大縮短了設計周期。
　　影響渦輪葉片冷卻效率的因素有很多，本文中研究了不同主流湍流度和不同冷卻氣體配比條件下對于冷

5、卻效率的影響。結果發(fā)現，主流湍流度對于葉片型面上的壓力系數和速度比的影響較小，而于對壁面上的換熱作用影響較大。在葉片前緣處，低湍流度方案下的的冷卻效率略高于高湍流度方案，低湍流度的情況減少了噴射冷氣與主流的作用，使得冷氣覆蓋情況比高湍流度下的情況要好。而在葉片中后部區(qū)域，加速流動的主流在高湍流度下使得冷氣的貼壁性較好，因此，葉片表面的冷卻效率在高湍流度下要略高于低湍流度的情況，在葉片尾緣處，由于冷卻氣膜的散失，失去了對葉片表面的保護作用

6、，各湍流度下的表面冷卻效率趨于一致。在不同冷卻氣體流量配比條件下，高的噴射動量對壓力面冷卻是有益的，平均冷卻效率整體均略高于低冷卻氣體流量配比的情況。在吸力面，從總體上看冷卻射流動量的增加降低了冷卻效率，高噴射動量的方案僅僅在葉片前緣迎著主流的小范圍內提高了冷卻效率，而后低噴射動量的方案冷卻效率一直高于高噴射動量的方案。
　　對某燃氣輪機四列冷卻葉柵進行了冷卻結構的初始設計與改進，對初始設計的冷卻結構進行了冷卻效果的校核，并且以計