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带冠涡轮叶片叶顶间隙流动换热及热负荷控制方法研究

带冠涡轮叶片叶顶间隙流动换热及热负荷控制方法研究

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作者：周成哈尔滨工程大学

学位级别：硕士

涡轮转子带冠叶片结构因为具有诸多优点,如良好的气动性能和叶片减振特性,使得叶片带冠结构被广泛应用于燃气轮机的涡轮中。然而叶片带冠结构的使用,会造成叶冠端区更复杂的泄漏流动和换热情况,同时由于涡轮叶片的工作环境面临温度高、... 详细信息

涡轮转子带冠叶片结构因为具有诸多优点,如良好的气动性能和叶片减振特性,使得叶片带冠结构被广泛应用于燃气轮机的涡轮中。然而叶片带冠结构的使用,会造成叶冠端区更复杂的泄漏流动和换热情况,同时由于涡轮叶片的工作环境面临温度高、转速快和压力高等恶劣条件,尤其是高压涡轮的第一级叶片,若使用叶片带冠结构,叶冠遭受很高的热负荷和热应力,这可能会逐步侵蚀叶冠甚至损坏,叶冠掉块的现象也时有发生,最终严重威胁燃气轮机的安全运行。所以,有必要对带冠涡轮叶片展开流动换热分布以及热负荷变化规律的相关研究,并对叶冠形状及叶冠容腔进行优化改型设计,达到同时改善叶冠表面换热和降低叶冠表面热负荷的目的,以提升涡轮的气热性能和工作可靠性。首先,以GE-E3高压涡轮带单篦齿的第一级动叶模型为研究对象,对叶冠端区泄漏流动情况和换热分布进行了分析,探讨了不同涡轮膨胀比(1.5～3.5)和不同转速(3000r/min～12000r/min)下叶冠端区的流动换热规律,然后对叶冠结构形状进行了优化改型设计和冷却孔结构设计,达到降低叶冠表面热负荷的目的。结果表明:叶冠表面的平均换热系数分布与叶冠容腔内的泄漏涡以及叶冠表面的静压分布存在紧密联系,其中静压系数高的区域平均换热系数高,同时该区域的泄漏涡强度也大;由于篦齿的密封作用,涡轮膨胀比和涡轮转速的变化主要通过篦齿前缘表面的平均换热系数的分布,进而影响叶冠表面的热负荷;最终发现对叶冠后缘优化切削10%的表面积,可以降低叶冠表面热负荷高达19.2%;当冷却射流存在时会抑制主流进入叶冠容腔,这在一定程度上会提升涡轮性能,并且冷却射流与泄漏流的掺混对叶冠表面有良好的降温效果,叶冠表面热负荷得到降低。其次,以真实带冠涡轮为研究对象,同样对叶冠端区泄漏流动情况和换热分布进行了分析,探讨了不同涡轮输出功率(50%～120%设计工况)和不同导叶进气角(-30°～+30°)下叶冠端区的流动换热规律。结果表明:不同涡轮输出功率对叶冠容腔的泄漏流量和叶冠表面热负荷影响较大,其中随涡轮输出功率增加,泄漏流量增加,造成气动损失增多,涡轮性能降低,同时泄漏流与叶冠表面耗散效应增强,导致叶冠表面热负荷增加;不同导叶进气角对叶冠容腔的泄漏流量和叶冠表面热负荷影响相对小很多,因其主要影响导叶间流场,而对动叶间流场影响较小。针对变工况下真实带冠涡轮叶片叶冠表面换热不均和高热负荷问题,对其叶冠容腔进行改型设计和冷却孔结构设计。结果表明:对叶冠进出口宽度改型相比篦齿轴向位置变化和叶冠进口容腔改型对叶冠容腔密封效果更加明显,这导致叶冠容腔泄漏流量减少,造成的气动损失减少,涡轮效率得到一定提升,同时由于泄漏流与叶冠表面相互作用强度减弱,叶冠表面热负荷得到改善,其降低多达27.2%;当对叶冠进行冷却结构设计时,冷却射流同样可以有效抑制主流进入叶冠容腔进而提升涡轮性能,并且冷却射流与泄漏流的掺混可以有效改善叶冠端区换热情况,降低叶冠表面热负荷。本文基于叶冠表面换热不均和高热负荷问题的考虑,提出了对叶冠结构和叶冠容腔结构的优化改型设计方法,达到了降低叶冠表面热负荷的目的,这为今后新型涡轮带冠叶片设计提供参考。

关键词：带冠涡轮叶片叶冠端区流动换热叶冠优化设计冷却射流

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