蒸汽冷卻葉片流固耦合數(shù)值模擬.pdf

1、燃氣輪機具有效率高、體積小、重量輕、維護簡單、機動性好、運行可靠、自動化程度高、造價低等優(yōu)點，因而廣泛應用在航空工業(yè)、陸用發(fā)電、天然氣輸送、石油、鐵路和造船工業(yè)中。為了提高燃氣輪機的效率，通常增加渦輪的入口溫度使其接近理想配比燃燒溫度。這樣對渦輪部件產(chǎn)生了很大的熱負荷，使得渦輪葉片的冷卻成為一個關鍵的技術。迄今已經(jīng)提出了許多種的冷卻方法，其中利用從壓氣機引出的空氣作冷卻介質(zhì)的開式冷卻方案具有一系列優(yōu)點，取自壓氣機高壓級或出口的空氣，流過

2、葉片的內(nèi)通道使其冷卻，然后排入燃氣流中去。但是，空氣冷卻技術將帶來一系列的額外損失，其主要損失之一是在提高燃氣輪機的初溫時，需要使用相當數(shù)量的冷卻空氣，為此需要支出相當數(shù)量的壓縮功，這就降低了燃氣輪機裝置的熱效率。 這樣希望采用其它介質(zhì)來代替空氣作冷卻介質(zhì)，要求這種新介質(zhì)能提供較好的冷卻效果。用水蒸汽取代空氣作為燃氣輪機的葉片冷卻介質(zhì)是能滿足上述要求的。和空氣相比水蒸汽冷卻的優(yōu)點在于水蒸汽的比熱容大。需要的冷卻蒸汽中主要熱能部分

3、，水泵功和機械能消耗是很小的，所以蒸汽冷卻的損失要比空氣冷卻的小。這樣也就允許增加冷卻蒸汽流量來更多地提高燃氣初溫。冷卻蒸汽流量的增加在冷卻通道的流阻方面不會遇到什么困難，因為蒸汽壓力不像空氣壓力那樣要受到壓氣機出口壓力的限制。 本文針對某型渦輪的第一級靜葉進行了穩(wěn)態(tài)三維流固耦合數(shù)值模擬，應用Por/E和ANSYS ICEM軟件建立渦輪靜葉的計算模型及其計算網(wǎng)格，并應用ANSYS CFX對渦輪蒸汽冷卻葉片進行了熱耦合模擬，介紹了

4、葉片冷卻計算的數(shù)值模擬方法及其基礎理論，應用k-ε雙方程湍流模型，應用基于有限單元法的有限容積法進行離散，簡單介紹了全耦合式的不完全LU分解算法和多網(wǎng)格求解技術，簡單描述了流固耦合的參數(shù)傳遞和計算過程。 對兩種基本的強化換熱技術，即射流沖擊冷卻換熱和肋片繞流冷卻換熱進行了基礎研究，得到射流冷卻一些參數(shù)規(guī)律和肋片繞流的流場參數(shù)分布規(guī)律。然后在前面基本強化換熱的基礎上，先對間隔板式冷卻葉片進行了熱耦合計算，然后再設計了蒸汽射流沖擊式