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透平封严结构及端壁泄漏的流动与传热特性研究

透平封严结构及端壁泄漏的流动与传热特性研究

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作者：周国宇清华大学

学位级别：硕士

随着技术的进步,燃气轮机透平进口温度越来越高,在有效提高机器循环效率的同时也给燃机中各高温部件的冷却提出了更高的要求,因此很有必要对燃机各高温部件进行精细的冷却设计。透平的第一级静叶直接面对燃烧室出口高温燃气的冲击,对其... 详细信息

随着技术的进步,燃气轮机透平进口温度越来越高,在有效提高机器循环效率的同时也给燃机中各高温部件的冷却提出了更高的要求,因此很有必要对燃机各高温部件进行精细的冷却设计。透平的第一级静叶直接面对燃烧室出口高温燃气的冲击,对其进行充分有效的冷却保护尤为重要。本文主要研究燃烧室和第一级静叶平台之间槽缝泄漏流的冷却作用。这部分气体的传统作用是密封和防止高温气体入侵燃机内部结构。这部分密封气体本身温度很低,其冷却作用不可忽视。本文的思路是对其进行充分利用,在保证密封效果的同时将其冷却效果最大化,对透平第一级静叶进行更安全高效的冷却保护。为了寻找对槽缝泄漏流进行有效控制的方法,本文首先对密封的流动机理进行了研究分析。迷宫密封作为一种很常用的非接触式密封,其密封机理对于其他非接触密封结构有借鉴作用。本文通过实验测量了密封的泄漏量,并通过数值计算模拟了高低齿型迷宫密封的内部流动结构。在对比不同节流间隙、压比、转速等因素后,提出了两个影响密封泄漏性能的关键因素:节流过程的有效流通面积和节流间隙前后的压差。在之后改进透平槽缝密封泄漏分布的研究中,充分利用了这两个因素。本文对燃烧室静叶平台间槽缝泄漏流的流动结构进行了模拟,并分析其流动特点。槽缝泄漏可类比为一种结构特殊的迷宫密封泄漏。可采用控制迷宫密封泄漏的方法控制槽缝泄漏,最终达到改善其冷却特性的目标。通过斜齿限流、槽缝进出口台阶绕流、槽缝内部喷管结构和改变槽缝缝宽周向分布等方法的尝试,在应用上文提到的改变流通面积和槽缝进出口压差两种思路后,得出了较原始均匀槽峰结构冷却效果更强的槽缝结构。通过对实际工况下槽缝出口流量分布进行两次槽缝线型调整后,优化槽缝结构能有效改善静叶前缘压力面附近端壁的冷却效果,同时槽缝流量下降了12%,节省二次空气用量有利于提高整机效率。

关键词：燃气轮机静叶平台与燃烧室接缝密封泄漏流冷却作用端壁槽缝结构改进

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