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涡轮叶片冷却结构参数化及带肋通道优化设计

韩绪军  
【摘要】:涡轮作为燃气轮机装置的核心部件之一,对燃气轮机的效率和功率起着决定性的作用。提高涡轮前燃气温度是提高涡轮效率、增加推重比的重要手段之一。现代先进燃气涡轮多采用复合冷却方式来对叶片进行强化冷却,以期提高涡轮前进口温度。因此,如何快速设计满足要求的先进的冷却结构至关重要。 本文在总结国内外涡轮叶片冷却结构的CFD数值计算和优化设计的基础上,对国内外的优化研究现状进行了系统综述。本文提出了一种新的涡轮叶片冷却结构优化思路,实现了优化平台的系统建立,即对冷却结构进行参数化建模,网格的自动离散,确定寻优目标,选择合适的优化算法,用CFD进行流场计算和分析,对冷却结构进行优化。从而最终提出了一种涡轮叶片冷却结构的优化设计方法。 本文在搭建优化平台的基础上,对不同Re数下的矩形带肋通道和U型带肋通道的几何参数(肋角度、肋间距)对换热性能和流动损失的影响进行寻优计算,以期获得最大的冷却效率和最小的流动损失,然后分析流动的现象和机理,为以后的优化设计奠定基础。 本文给出几何参数(肋角度、肋间距)对换热性能和流动损失的影响的优化结果和分析。矩形带肋通道优化结果,在雷诺数为10000条件下,肋角为48.5°和肋间距与肋高比为6.17时分别有最好的换热性能;在雷诺数为30000条件下,肋角为50.32°和肋间距与肋高比为7.53时分别有最好的换热性能;在不同雷诺数下,当肋角接近30°和肋间距与肋高比接近6时时有最好的综合热性能。U型带肋通道优化结果,在雷诺数为10000条件下,肋角为46°时有最好的换热性能,肋间距与肋高比为6.18时有最好的综合换热性能;在雷诺数为30000条件下,肋角为47°时有最好的换热性能,肋间距与肋高比为11.1时有最好的综合换热性能;在不同雷诺数下,当肋角接近30°时有最好的综合热性能,肋间距与肋高比为14时有最好的换热性能。对于带肋直通道,优化发现斜肋诱导了肋间的横向二次流,提高了换热效果,不同的肋角度对二次流的影响不一样;肋间距的不同影响边界层的分离与再附,使得换热效果也不一样;角度越小流动损失也越小。对于U型双流程通道,弯头区诱导的强烈的二次流,使得弯头区与第二流程的上游的换热效果提高,同时也造成了很大的流动损失;通过分析发现第二流程布置肋片会减弱弯头区对第二流程换热效果的影响,所以建议第二流程上游不要布置肋片。


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