(硕士论文)蒸汽冷却叶片流固耦合数值模拟.pdf

要捅燃气轮机具有效率高、体积小、重量轻、维护简单、机动性好、运行可靠、自动化程度高、造价低等优点,因而广泛应用在航空工业、陆用发电、天然气输送、石油、铁路和造船工业中。为了提高燃气轮机的效率,通常增加涡轮的入口温度使其接近理想配比燃烧温度。这样对涡轮部件产生了很大的热负荷,使得涡轮叶片的冷却成为一个关键的技术。迄今已经提出了许多种的冷却方法,其中利用从压气机引出的空气作冷却介质的开式冷却方案具有一系列优点,取自压气机高压级或出口的空气,流过叶片的内通道使其冷却,然后排入燃气流中去。但是,空气冷却技术将带来一系列的额外损失,其主要损失之一是在提高燃气轮机的初温时,需要使用相当数量的冷却空气,为此需要支出相当数量的压缩功,这就降低了燃气轮机装置的热效率。这样希望采用其它介质来代替空气作冷却介质,要求这种新介质能提供较好的冷却效果。用水蒸汽取代空气作为燃气轮机的叶片冷却介质是能满足上述要求的。和空气相比水蒸汽冷却的优点在于水蒸汽的比热容大。需要的冷却蒸汽中主要热能部分,水泵功和机械能消耗是很小的,所以蒸汽冷却的损失要比空气冷却的小。这样也就允许增加冷却蒸汽流量来更多地提高燃气初温。冷却蒸汽流量的增加在冷却通道的流阻方面不会遇到什么困难,因为蒸汽压力不像空气压力那样要受到压气机出口压力的限制。本文针对某型涡轮的第一级静叶进行了稳态三维流固耦合数值模拟,应用疎和砑⑽新志惨兜募扑隳P图捌浼扑阃瘢⒂径晕新终羝淙匆镀辛巳锐詈夏D猓樯芰艘镀淙醇扑的数值模拟方法及其基础理论,应用猻双方程湍流模型,应用基于有限单元法的有限容积法进行离散,简单介绍了全耦合式的不完全分解算法和多网格求解技术,简单描述了流固耦合的参数传递和计算过程。对两种基本的强化换热技术,即射流冲击冷却换热和肋片绕流冷却换热进行了基础研究,得到射流冷却一些参数规律和肋片绕流的流场参数分布规用哈尔滨工程大学硕士学位论文
律。然后在前面基本强化换热的基础上,先对间隔板式冷却叶片进行了热耦合计算,然后再设计了蒸汽射流冲击式冷却叶片,得到叶片表面的温度场和传热情况,最后应用际醵约扑愠龅募涓舭迨浇峁估淙匆镀了热结构耦合数值模拟,得到叶片的热应力。关键词:蒸汽冷却;射流冲击;肋片绕流;燃气轮机叶片;数值模拟;热耦合;热结构耦合;热应力;哈尔滨工程大学硕士学位论文.
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第滦髀研究的目的及意义先进燃气轮机在高温下运行的目的是提高热效率和功率输出。传递给透平叶片的热量随着透平进口温度的提高而增加,据预测,叶片温度超过实际温度℃,叶片的寿命将会减小一半,所以必须限制叶片材料内温度水平和温度变化扔α,以保证合理的寿命,而且从燃烧室出来的剧烈扰动的高温燃气首先接触到透平第一级静叶,因此准确预测出传热系数和叶片温度有助于预防热穿孔和延长叶片寿命。现代燃气轮机设计的进口运行温度很高,远超出了当前材料的温度极限,除了提高材料和绝热层的温度极限外,还必须采用复杂的冷却技术。发动机冷却系统的设计要保证运行时,叶片表面最高温度和温度梯度与设计寿命规定的最大叶片热应力相适应。迄今已经提出了许多种的冷却方法,其中利用从压气机引出的空气作冷却介质的开式冷却方案具有一系列优点,它结构简单,使用可靠方便,是目前在实际工程中通常采用的冷却方案。在此方案中,取自压气机高压级或出口的空气,流过叶片的内通道使其冷却,然后排入燃气流中去。但由于空气的载热性质较差,空气冷却技术带来一系列的额外损失。其主要损失是在提高燃气轮机的初温时,需要使用相当数量的冷却空气,为此需要支出相当数量的压缩功,这就降低了燃气轮机装置的热效率。空气冷却带来的各种损失都随冷却介质流量的增加而增加,降低了提高燃气初温所带来的好处,从而限制了使用空气冷却技术来大幅度提高燃气初温的可能性。传统的空气冷却方式的弊端益突出。蒸汽的冷却效果比空气好,因为水蒸汽热容大,相同的透平进口温度下冷却剂流量大大减少。较好地弥补了空气冷却的缺点。蒸汽、燃气联合循环机组具有显著的优点,无疑会有日益广泛的应用。在这种机组中,使用蒸汽冷却特别适宜。从蒸汽流路中可取出冷却叶片所需参数的蒸汽来。在高温的双工质燃气轮机装置中,利用燃气轮机出口排气的热量可得到占燃气流量サ谋ズ突虻凸日羝T谡庵盅分姓庑┱羝哈尔滨工程大学硕士学位论文
叶轮机械耦合数值计算的发展原是用来在燃烧室前与空气或在燃烧室后与燃气相混合的,混合后的燃气蒸汽混合物在燃气轮机中作功。冷