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9FA重型燃气轮机增容设计及第三级冷却结构数值研究

作　者: 张辉
导　师: 黄洪雁
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 动力机械及工程
关键词: 机组增容准三维S2流面计算多级叶型优化扰流肋
分类号: TK472
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

燃气轮机自问世以来，被广泛应用于航空航天、机械动力等行业，发展迅速，在我国工业化建设和国民经济建设中起着重要作用。燃气轮机发展迅速，设备更新换代快，作为动力机械装置，反映了一个国家工业技术的综合水平，高效燃气轮机技术也被各国列入优先发展的关键技术。本文以9FA原型机组为增容对象，除去压气机等部件耗功，原机组额定输出功率为267MW，通过增容方案增容，机组功率要求达到300MW。增容方案为，在9FA机组的基础上，进口总温总压和出口静压保持一致，改变子午通流面积，提高输出功率，完成机组初期的增容气动方案计算。首先消化吸收并继承原型机的透平结构，参照原型机透平的总体设计与冷气分配，总体设计方案上参考9FA的三级透平，保证平均直径不变，不改变透平轮盘结构以保证可靠性，通过增加子午同流面积以满足流量增加的要求；其次，在此基础上对叶型进行优化调整，并进行级间的匹配优化，从而达到提高性能的目的。增容后，燃气流量增大10%，基本满足了功率要求，但同时由于各级功率分配系数改变，级前总温随之改变。新工况下，机组叶型损失增大，整机效率下降0.4%；采用Isight优化平台和S2正问题计算程序，利用遗传算法加S2计算程序和模拟退火算法加近似模型分别对机组叶型优化，对比选择性能较优的叶型作为增容后叶型方案，使其适应新的工况。对扩容后机组取流量约束±1%，通过叶型寻优，整机效率提高0.57%。最终计算结果表明，通过增容方案设计，涡轮功率由521MW增到574MW，提高了10.17%，达到设计要求。在冷却结构上，参照9FA的叶片冷却结构，针对增容后各级工况发生改变，通流面积增大，叶片高度增加进行冷却结构优化设计。考虑到燃气流量增大，级前总温也发生改变，需对9FA机组冷却方案重新评估。以第三级涡轮为例，采用CFX软件对增容前后第三级涡轮工作状态进行数值模拟。分析增容前后涡轮叶片表面温度变化。发现随着燃气流量增大，以原冷气方案提供的冷气量冷却第三级静叶，第三级静叶叶片表面最高温度上升约6K，影响机组的工作寿命。为保证机组正常的使用，提高第三级静叶冷却效果，在原径向冷却通道的叶片内壁上添加扰流肋片，增加扰流换热效果。对比四种斜置扰流冷却和两种直肋片方案的叶片表面换热系数和努塞尔系数，分析45~0、60~0、90~0扰流间断肋和正常扰流肋的换热效果，选取900连续直肋作为最终增容后冷却方案。根据CFX数值模拟计算结果，添加900扰流直肋后，叶片表面最高温度由1151K下降至1131K，低于增容前的1145K，且温差分布也在合理范围内，能够保证增容后涡轮的使用寿命。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-10
第1章绪论  10-17
  1.1 课题来源  10-11
    1.1.1 研究和发展燃气轮机叶片冷却技术的必要性  10-11
    1.1.2 研究和发展燃气轮机数值预测技术的必要性  11
  1.2 本课题的研究目的及意义  11-12
  1.3 涡轮叶片冷却技术概述  12-14
    1.3.1 涡轮叶片冷却技术的发展历程及现状  12
    1.3.2 涡轮叶片的主要冷却方式  12-14
  1.4 国内外研究现状及分析  14-16
  1.5 本文的主要研究内容及研究方案  16
  1.6 本章小结  16-17
第2章数值模拟方法  17-24
  2.1 引言  17-18
  2.2 流体力学软件介绍  18
  2.3 数值计算方法  18-21
  2.4 气热耦合数值计算  21
  2.5 湍流模型  21-23
  2.6 本章小结  23-24
第3章 9FA 重型燃气轮机增容设计气动计算  24-49
  3.1 S2 计算程序介绍  24-27
    3.1.1 基本方程  25-27
    3.1.2 S2 流面方程  27
  3.2 增容设计 S2 流面计算  27-31
    3.2.1 透平性能指标参数  28-29
    3.2.2 增容设计 S2 程序计算结果  29-31
  3.3 扩子午后叶型气流角 ISIGHT 优化计算  31-46
    3.3.1 优化软件 ISIGHT 简介  31-32
    3.3.2 优化流程  32-36
    3.3.3 优化算法及参数设置  36-37
    3.3.4 优化结果及分析  37-46
  3.4 优化结果 NUMECA 校验  46-48
  3.5 本章小结  48-49
第4章涡轮第三级静叶冷却方案设计  49-79
  4.1 9FA 机组冷却结构  49-50
  4.2 第三级涡轮叶片气动性能分析  50-63
    4.2.1 几何建模  51-52
    4.2.2 网格划分和边界条件设置  52-54
    4.2.3 气动性能分析  54-63
  4.3 增容前后第三级静叶的冷却换热特性分析  63-66
    4.3.1 9FA 机组换热特性  64-65
    4.3.2 增容前后静叶叶片表面温度对比  65-66
  4.4 肋的布置方案  66-70
    4.4.1 肋结构的选取  67-68
    4.4.2 肋结构的几何建模  68-70
  4.5 六种肋换热性能与原型对比  70-77
    4.5.1 六种肋结构计算结果努赛尔数分布对比  70-73
    4.5.2 六种改型模型与原模型叶片壁面温度对比  73-76
    4.5.3 六种模型与原型的阻力损失系数对比  76-77
  4.6 本章小结  77-79
结论  79-80
参考文献  80-85
致谢  85

9FA重型燃气轮机增容设计及第三级冷却结构数值研究

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