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交叉肋与尾缘劈缝复合结构流动传热特性研究

交叉肋与尾缘劈缝复合结构流动传热特性研究

作     者:房一博 

作者单位:哈尔滨工程大学 

学位级别:硕士

导师姓名:郑群;郭昊雁

授予年度:2022年

学科分类:080701[工学-工程热物理] 080704[工学-流体机械及工程] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 

主      题:涡轮叶片 尾缘劈缝 交叉肋 气膜冷却效率 综合热效率 

摘      要:提高燃机的输出功率和循环效率最有效的方法就是提高涡轮进口初温,随着燃机涡轮初温的逐年提升,现有金属材料的耐热极限远远低于涡轮叶片所工作环境的温度,因此,为了保证涡轮叶片的使用寿命,就急需提高涡轮叶片的冷却性能。由于叶片尾缘薄且空间狭小,更容易烧坏,因此更需要更高效的冷却,传统涡轮叶片尾缘内部冷却,是采用尾缘柱肋的冷却方式,交叉肋作为一种特殊的内部冷却结构,与普通冷却结构相比传热更强,结构强度更高;半劈缝冷却结构是通过在涡轮叶片尾缘上形成冷气膜,从而达到保护叶片尾缘的作用。因此,交叉肋与尾缘劈缝复合结构有良好的前景。本文主要内容是利用流体力学计算软件ANSYS CFX对某型涡轮叶片中的交叉肋与劈缝复合结构进行的数值模拟研究,探究多个参数对其流动传热的影响,并将交叉肋与直肋分别作用在叶片尾缘是进行全面的对比分析,评价两者性能优劣。主要工作如下:1.对于叶片尾缘交叉肋与劈缝复合结构几何模化和数值模拟进行了简述,并参考相关文献选择正确的湍流模型,根据数值模拟的结果分析交叉肋与劈缝复合结构流动传热特性,其中包括交叉肋通道中流动结构和强化换热机理,劈缝出口流场特点和气膜冷却分布特性。结果表明,交叉肋侧壁折角制造的大尺度强制纵向涡是传热强化的根本原因。2.针对基本几何因素对交叉肋与尾缘劈缝复合冷却结构的影响作详细的研究,考察不同吹风比、肋倾角大小、通道密度和唇板厚度对其阻力系数、传热性能、综合热效率和气膜冷却效率的影响。结果表明,较小的肋倾角,较稀疏的通道密度和较薄的唇板可以获得更好的综合换热效果。3.鉴于交叉肋具有比柱肋更高的结构强度,将其用于叶片尾缘代替传统柱肋具有一定的潜力,分别将交叉肋、直肋作用在楔形叶片尾缘,进行数值模拟,获得涡轮叶片尾缘表面的气膜冷却效率和内部通道换热能力、通道内的阻力系数和综合热效率,以此来评估两种冷却结构的性能优劣,验证交叉肋和直肋结构用于叶片尾缘所带来的优势。结果表明,交叉肋作用在叶片尾缘具有更好的换热效率。

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