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涡轮叶片前缘端壁倒角作用机理研究

作　者: 潘民政
导　师: 宋彦萍
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 动力机械及工程
关键词: 涡轮叶栅前缘倒角壁面热负荷能量损失
分类号: V231.3
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

随着涡轮进口燃气温度水平不断提高,涡轮叶栅端壁区域的热控制成为研究的热点问题。在对端壁实施气膜冷却之前,可以利用气动手段对端部固体表面进行“预冷”,具体的做法就是有意识、有目的地合理利用叶片前缘端壁倒角结构,通过控制端壁区域的旋涡结构来达到降低壁面温度的目的。关于叶片前缘倒角控制涡轮端壁区域热负荷的机理研究,目前还缺乏统一和明确的认识。此外,现有的研究还存在着一些不足,如气流速度和自由流湍流度过低,和实际燃气轮机涡轮进口条件不相符等,影响了现有研究成果对该技术在实际燃气轮机中应用的指导价值。本文以某实际应用的地面燃气轮机高压涡轮叶栅为研究对象,在叶栅出口马赫数为0.6、0.85、1.1条件下进行数值模拟,并与实验数据进行验证。在此基础上,本文设计了四种前缘倒角结构,并在来流湍流强度20.4%和叶栅出口马赫数1.1条件下,采用数值方法对四套叶栅流场进行了模拟分析。然后选择其中作用效果较为理想的一个前缘倒角结构,在来流湍流强度20.4%和不同的叶栅出口马赫数0.6、0.85和1.1条件下进行了数值模拟,研究前缘倒角对降低壁面热负荷、改善流动状况和降低能量损失的作用。结果表明,从端壁至展向25 %叶高的叶片表面(倒角所在位置叶片表面)是倒角影响的主要区域,最高温度区域的面积有明显减小,最低温度区域的面积有所增加。前缘倒角结构使得来流沿倒角坡面向上加速流动,在很大程度上消除了原型叶栅中叶栅前缘和端壁角区形成的马蹄涡。前缘带倒角叶栅对消除通道涡也有很大作用。同时,通过对叶栅出口能量损失分布的观察,发现前缘带倒角结构的叶栅能够有效地改变能量损失的分布状况,在叶栅根部区域的能量损失系数减小。通过对不同倒角结构的流场模拟结果对比发现,倒角的大小对降低壁面温度和降低能量损失都有显著影响。倒角越大,壁面高温区面积下降的幅度越大,同时对能量损失的降低也越明显。在叶栅根部区域以上位置,大的倒角结构能够更多地降低能量损失;而小的倒角结构对能量损失的降低作用很小,甚至会使其增加。通过在不同叶栅出口马赫数条件下对相同倒角结构的流场模拟结果对比可知,在高出口马赫数下前缘带倒角叶栅对降低壁面温度、改善流场和降低能量损失的作用更加明显。叶栅出口马赫数大于1.0时,叶栅根部叶片表面的最高温度区域面积下降更为显著。原型叶栅中只有叶栅出口马赫数大于1.0时才能在喉部之后吸力面和端壁角区形成通道涡,而前缘加倒角叶栅中则没有此通道涡的出现,所以高叶栅出口马赫数时倒角结构对改善流场作用更大。当叶栅出口马赫数小于1.0时,和原型叶栅相比,前缘带倒角叶栅根部以上区域的能量损失有少量增加。要想通过前缘倒角结构达到降低壁面温度、改善流场或者降低能量损失,应该针对不同的工况条件进行倒角结构的设计。

全文目录

摘要  3-5
Abstract  5-9
第1章绪论  9-17
  1.1 课题背景和意义  9-11
  1.2 涡轮叶片前缘端壁倒角的研究现状分析  11-16
  1.3 论文工作的目的和主要内容  16
  1.4 本章小结  16-17
第2章数值计算方法与验证  17-26
  2.1 叶栅内三维粘性流场的数值计算方法  17-23
    2.1.1 数值模拟历史及其应用  17-19
    2.1.2 控制方程  19-20
    2.1.3 湍流模型  20-21
    2.1.4 FLUENT计算软件包简介  21-23
  2.2 本课题计算模型、方法与试验验证  23-25
    2.2.1 计算模型介绍  23
    2.2.2 计算方法介绍  23-24
    2.2.3 数值计算方法验证  24-25
  2.3 本章小结  25-26
第3章前缘倒角降低壁面温度、减小能量损失的机理分析  26-40
  3.1 前缘倒角的构造  26-27
  3.2 网格构造和计算方案  27-29
  3.3 倒角结构对壁面热负荷的影响  29-31
  3.4 倒角结构对叶栅流场参数的影响  31-38
    3.4.1 壁面极限流线分析  31-32
    3.4.2 二次流分析  32-36
    3.4.3 能量损失分析  36-38
  3.5 本章小结  38-40
第4章不同马赫数下前缘倒角对流动影响  40-48
  4.1 计算方案  40
  4.2 不同马赫数下倒角结构对壁面热负荷的影响  40-41
  4.3 二次流分析  41-44
  4.4 能量损失分析  44-46
  4.5 本章小结  46-48
结论  48-50
参考文献  50-54
攻读学位期间发表的学术论文  54-56
致谢  56

涡轮叶片前缘端壁倒角作用机理研究

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