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气冷涡轮流热耦合模拟及冷却结构优化设计

叶莹  
【摘要】:本文的主要工作是围绕某微小型燃气轮机高压涡轮冷却结构的优化设计而展开的。现代燃气轮机为了提高效率和输出功,通常会大幅提高涡轮前进口温度,然而这也给燃气轮机的正常运行带来一系列严重的问题,并且涡轮进口温度的提高速度远远高于叶片材料耐温性能的发展速度。因此必须采取有效的冷却技术和热防护措施来保证涡轮叶片在高温燃气环境下安全可靠地工作。与其他类型的同功率动力装置相比,微小型燃机具有可靠性高、使用寿命长、装置容量小、系统灵活等特点。但同时微小型燃气轮机流通面积小,导致涡轮叶片的径向高度相对较小,难以采用复杂的冷却结构,并且尺寸效应更为显著。因此,非常有必要针对它的气热流动特征,对其典型冷却结构进行深入研究,优化改进其冷却结构,为进一步提高其性能奠定坚实的技术基础。本文的研究对象是某MW级微小型燃气轮机高压涡轮,为满足燃气轮机功率提升带来的高压涡轮改型和入口升温的要求,需要对高压涡轮冷却结构进行优化设计。首先对改型后的高压涡轮进行流热耦合数值模拟分析,在此基础上进行冷却结构设计优化,包括内部冷却和气膜冷却,特别是考虑在气膜冷却中采用新型的姊妹孔结构,最后开展热斑与高压涡轮导叶的时序优化。具体研究内容包括:1.改型前后的无冷却高压涡轮级流热耦合模拟分析。首先对改型前后的无冷却高压涡轮级流热特性进行对比分析,研究改型后进口总温升高对高压涡轮级热负荷的影响,以此为基础进行接下来改型后涡轮级气冷方案优化。2.改型后高压涡轮导叶内冷结构设计及高压涡轮级流热耦合数值验证。参考原冷却方案,对改型后的高压涡轮导叶进行冷却结构设计,评估原型冷却方案设计对于改型后几何的适应性,进行肋片和冲击孔的优化设计。3.改型高压涡轮级导叶气膜冷却结构的优化设计。以第二部分工作为基础,为了进一步提高冷却效率,采用内冷加姊妹孔气膜冷却的复合冷却方案进行优化,并通过与普通气膜孔进行对比,分析姊妹孔结构在真实涡轮上的应用效果。4.热斑/气冷涡轮时序分析。结合该燃机高压涡轮进口流场不均匀的特点(由回流燃烧室出口不均匀与C型过渡段导致),研究考虑C型进口过渡段时的热斑/气冷涡轮时序效应,并与轴流过渡段进行对比分析。


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