高壓渦輪動葉冷卻結(jié)構(gòu)改型設(shè)計數(shù)值研究.pdf

1、自20世紀(jì)初問世以來,燃氣輪機以其功率大、尺寸小、重量輕、可快速啟動和加速等優(yōu)點,廣泛應(yīng)用于航空、航海以及發(fā)電行業(yè)。由于燃氣輪機技術(shù)涉及軍民兩用,發(fā)達國家出于政治、軍事和經(jīng)濟因素,對我國進行嚴格技術(shù)封鎖,所以設(shè)計高性能燃氣輪機只能依靠我國相關(guān)工程技術(shù)人員走自主研發(fā)之路。燃燒室出口總溫是衡量燃氣輪機循環(huán)效率的重要指標(biāo),如今,高性能燃機燃燒室出口總溫已遠遠超過材料的承受范圍,高效燃氣輪機高溫部件冷卻技術(shù)被各國列入研制高性能燃氣輪機的關(guān)鍵技術(shù)

2、。燃氣輪機高壓動葉承載了巨大的氣動載荷和熱載荷,工作環(huán)境十分惡劣,其冷卻結(jié)構(gòu)的設(shè)計是燃氣輪機高溫部件冷卻技術(shù)的核心。
　　本文以F級重型燃氣輪機的第一級動葉為對象,使用ANSYSCFX對其工作狀態(tài)進行數(shù)值模擬。通過對計算結(jié)果的研究,增強了對第一級動葉復(fù)合冷卻結(jié)構(gòu)的認識,細致的分析了第一級動葉冷卻結(jié)構(gòu)和冷卻機理,指出了原型葉片存在表面溫度偏高、冷氣分布不均的內(nèi)在原因,并提出在葉片表面添加熱障涂層和蛇形通道去掉補氣孔的冷卻結(jié)構(gòu)改型方案

3、。
　　在確立改型方案后,本文先對葉片表面添加熱障涂層的改型方案進行數(shù)值計算,并將計算結(jié)果與原型對比,發(fā)現(xiàn)熱障涂層外表面的溫度升高,但熱障涂層良好的隔熱性能減少了主流高溫燃氣熱量向內(nèi)的傳導(dǎo),保護了涂層下葉片金屬表面,使其溫度降低。完成第一次改型計算后,本文對加涂層葉片的內(nèi)冷通道進行了去掉補氣孔的第二次改型,并將其數(shù)值模擬結(jié)果與第一次加涂層改型的數(shù)值結(jié)果對比發(fā)現(xiàn),去掉補氣孔后進入蛇形通道的冷氣流量分配更加合理,葉片金屬表面溫度和最大

4、溫差進一步降低,達到了預(yù)期的冷卻效果。
　　考慮到難度和經(jīng)濟性,通常高壓渦輪動葉的冷卻試驗都在靜止?fàn)顟B(tài)下完成,這需要驗證靜態(tài)試驗的可靠性。本文通過數(shù)值模擬對比靜止和運動狀態(tài)下的動葉氣動性能和換熱性能,研究了旋轉(zhuǎn)對葉片冷卻效果的影響。模擬結(jié)果顯示,旋轉(zhuǎn)條件下蛇形通道內(nèi)的冷氣在離心力、科氏力及他們衍生的浮升力的作用下,湍流度增大,換熱能力提高。所以,如果在靜止條件下動葉冷卻的實驗結(jié)果符合設(shè)計要求,那么在旋轉(zhuǎn)條件下動葉的冷卻結(jié)構(gòu)能取得更