气冷涡轮叶片的传热设计

【摘要】：燃气轮机与能源、航空和国防工业密切相关。提升燃气轮机性能需要提高涡轮入口温度,现代燃气轮机的涡轮进口温度已经远超过叶片材料的许用温度,所以对涡轮叶片进行传热设计计算、得到合理的叶片空气冷却结构是燃气轮机设计的关键问题之一。气冷涡轮叶片的传热设计技术属于燃气轮机核心技术,这一技术的落后长期以来制约着我国燃气轮机工业的发展。近年来,计算机技术与数值模拟技术的发展为燃气轮机工程设计提供了新的平台。在此背景下,本文建立了全新的气冷涡轮叶片分层次传热设计方法。 气冷涡轮叶片传热设计方法的流程分为初步设计、方案设计与详细设计三个层次,冷却结构设计以参数化设计方法为基础,方案设计应用一维管网计算方法,详细设计应用全三维气热耦合数值模拟方法。本文建立了气冷涡轮叶片传热设计方法的程序与软件平台,降低了设计难度、实现了部分设计计算流程的自动化。 气冷涡轮叶片参数化设计方法分为叶形、冷气通道、与各种冷却结构的参数化设计,对不同结构特征分别建立参数化设计方法,再纳入到统一的参数化设计程序平台;本文提出的冷气通道“单元设计法”及相关设计程序是气冷叶片参数化设计的重要方法,不但实现复杂冷气通道的参数化设计,还为方案设计与详细设计中流动传热计算模型的建立提供了便利。 方案设计中,采用了基于参数化方法的管网计算模型自动生成程序;管网的求解程序分为压力平衡计算、温度平衡计算与气膜修正计算三部分;压力平衡计算程序中对动量方程采用线性化求解方法,使管网求解程序具有极高的的稳定性。详细设计中,按本文介绍的计算方法能够保证气热耦合计算的高成功率、高速度与高精度;合理选择耦合计算域并对计算域分区能够降低前处理难度,还能尽可能多地采用分块结构化网格、提高计算精度;参数化设计程序对UG的数据输出程序能够减少UG建模耗时;应用ANSYS ICEM生成网格要按照一定原则进行,以降低网格生成的难度、并保证计算的精度。 本文开发了通用二维分块结构化网格与气冷叶片部分结构的气动/耦合传热分块结构化网格的生成程序;并初步开发了非结构化网格生成程序;网格自动生成程序与参数化方法相结合,能够对叶栅流道与一些冷却结构做高速度、高质量的计算网格自动生成,从而降低网格生成的难度,提高设计的自动化程度。