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燃气透平动叶闭式蒸汽冷却方法研究

燃气透平动叶闭式蒸汽冷却方法研究

作者：李鹏中国科学院研究生院（工程热物理研究所）

学位级别：硕士

燃气轮机作为一种重要的动力设备,广泛应用于航空推进、地面发电以及其他工业领域。提高透平进口温度是增加燃气轮机热效率的重要手段,但受限于叶片耐高温材料的发展,先进冷却技术的应用成为提高透平进口温度的主要手段。闭式蒸汽冷却... 详细信息

燃气轮机作为一种重要的动力设备,广泛应用于航空推进、地面发电以及其他工业领域。提高透平进口温度是增加燃气轮机热效率的重要手段,但受限于叶片耐高温材料的发展,先进冷却技术的应用成为提高透平进口温度的主要手段。闭式蒸汽冷却技术使用热物性更优的过热蒸汽,通过叶片内部的闭式流路对叶片进行冷却,相比空气冷却,减少了冷气的使用量,避免了冷气与主流的掺混损失,有利于提高机组的热效率。公开的文献中叶片闭式蒸汽冷却整体结构设计资料较少,本文的目的在于实现对某重型燃气轮机透平动叶的闭式蒸汽冷却改型设计。利用C3X叶片换热实验的实验数据,运用商业软件CFX进行了气热耦合数值模拟校核,分析了不同湍流模型、冷却通道冷气进口湍流度等因素对耦合计算结果的影响。结果表明,气热耦合计算能够准确预测叶栅通道的流动情况,受湍流模型影响较小,也能预测叶片换热情况,但受湍流模型影响较大。考虑转捩流动特性的SSTγ-θ转捩模型对叶片换热的预测结果相比更为接近实验值,能够较为准确的预测叶片吸力面上边界层的转捩流动现象对叶片表面换热的影响,但其仍然存在预测的转捩位置靠后等问题。冷却通道冷气进口湍流度对透平叶片气热耦合换热计算的准确性具有较大影响。在冷却通道壁面上施加冷气温度和换热系数的第三类热边界条件,可以将C3X直叶栅三维气热耦合模拟转化为二维耦合计算,节省计算资源。但通过换热系数准则关系式获取的换热系数值偏大,换热计算结果的准确性降低。透平动叶因叶顶间隙的存在而呈现出与静叶有所差异的流动和换热特性,在对GE-E3平面叶栅叶顶换热实验进行数值模拟校核的基础上,数值研究了透平实际旋转工作环境中,4种不同叶顶结构对动叶顶部的流动和换热的影响。通过分析叶顶间隙泄漏流场结构、叶片压力分布以及通道中的损失、出口气流角等情况,发现叶顶结构的不同使得泄漏流场结构不同,引起流出间隙的泄漏涡与通道马蹄涡也不尽相同,进而改变了吸力面上叶顶附近的压力分布以及通道中的损失等情况,其中凹槽结构所具有的损失最小,密封性能也最好。叶顶表面换热系数分布与叶顶间隙内的流动相对应。相比平叶顶结构,叶顶肩壁结构的使用降低了叶顶的平均换热系数,其中吸力面肩壁结构表现最好,但肩壁表面的换热系数也通常较高。分析叶片外表面的换热系数分布,发现叶顶具有整个叶片表面最强的换热,在动叶冷却结构设计中应予以足够重视。对具有复杂冷却结构的原型空气冷却动叶进行了整体气热耦合计算,分析了叶片叶顶附近的流动和叶片的换热特性,表明原型气冷结构基本能够为该叶片提供较好的保护。根据叶片表面热载荷的分布,对该叶片进行了闭式蒸汽冷却初始改型设计,针对初始设计中存在的问题,相应的给出改进设计,结果表明,采用平叶顶、内部为蛇形通道和尾缘多排错列柱肋结构的闭式结构能够满足叶片闭式蒸汽冷却要求,同时能够提高透平的气动性能。

关键词：气热耦合叶顶间隙总体冷却效率闭式蒸汽冷却透平动叶

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高压透平动叶非轴对称端壁优化设计

热力透平 2021年第4期50卷 270-275页

作者：朱能杰张方竺晓程沈昕杜朝辉上海交通大学机械与动力工程学院上海200240 上海汽轮机厂有限公司上海200240

为减小透平动叶端部流动损失,建立了基于双控制曲线和改进的Kriging代理模型的非轴对称端壁优化设计系统。以某高压透平第1级作为研究对象,对其动叶的轮毂端壁进行端壁优化,研究非轴对称端壁对改善流动、降低损失的有效性。结果表明优... 详细信息

为减小透平动叶端部流动损失,建立了基于双控制曲线和改进的Kriging代理模型的非轴对称端壁优化设计系统。以某高压透平第1级作为研究对象,对其动叶的轮毂端壁进行端壁优化,研究非轴对称端壁对改善流动、降低损失的有效性。结果表明优化后该级等熵效率提高了0.11%,出口平均偏离角降低了13.7%,质量平均二次流动能系数降低了20.3%,数值计算结果证明了该优化设计系统的有效性。该项技术具有广泛的工程应用前景。

关键词：透平动叶非轴对称端壁代理模型优化设计

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燃气轮机透平动叶异型曲面喷涂程序开发研究

东方汽轮机 2017年第3期 38-41页

作者：袁小虎李定骏刁金艳冯文东方汽轮机有限公司四川德阳618000

文章用RobotStudio离线编程软件研究解决了机器人在燃机透平动叶片异型曲面上涂层制备的均匀性问题。其方法是首先在RobotStudio软件中建立模拟喷涂工作站,用微积分原理将异型叶身曲面剪截分成16个小部分,用联动计算、轨迹修正、外轴转... 详细信息

文章用RobotStudio离线编程软件研究解决了机器人在燃机透平动叶片异型曲面上涂层制备的均匀性问题。其方法是首先在RobotStudio软件中建立模拟喷涂工作站,用微积分原理将异型叶身曲面剪截分成16个小部分,用联动计算、轨迹修正、外轴转角修正等优化方法,编制出透平动叶片叶身的喷涂程序。最后,用挂样方法验证喷涂程序,喷涂结果显示涂层厚度在0.11~0.15 mm,非常均匀,证实了编制程序的可喷涂性。

关键词： RobotStudio离线编程软件透平动叶机器人涂层

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燃气轮机透平动叶榫槽装配间隙超标处理

设备管理与维修 2018年第14期 68-69页

作者：吴建林浙江浙能镇海发电有限责任公司浙江宁波315208

燃气轮机透平动叶榫槽装配结构及装配间隙检查的要求,明确了装配间隙超标的原因是由长期低速盘车及部件高温腐蚀造成的。提出间隙超标后的处理方案,建议加强技术管理措施,防范事故发生。

关键词：透平动叶榫槽间隙原因分析激光熔覆

环形电极等离子体激励控制透平叶顶间隙泄漏流动研究

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西安交通大学学报 2024年第6期58卷 128-138页

作者：周祚弘黄明晏鑫李志刚李军西安交通大学叶轮机械研究所西安710049

为探究等离子体激励对叶顶泄漏流动的影响,基于非对称阻挡介质放电等离子体激励的数值模型,提出了环形电极的阻挡介质放电等离子体激励模型。将等离子体激励产生的体积力耦合至雷诺平均Navier-Stokes (RANS)方程组的动量方程中,数值研究... 详细信息

为探究等离子体激励对叶顶泄漏流动的影响,基于非对称阻挡介质放电等离子体激励的数值模型,提出了环形电极的阻挡介质放电等离子体激励模型。将等离子体激励产生的体积力耦合至雷诺平均Navier-Stokes (RANS)方程组的动量方程中,数值研究了3种等离子体激励电压(9、13、17 kV)和3种激励频率(8、10、12 kHz)的透平叶顶泄漏流动特征。结果表明:环形电极等离子体激励显著改变了叶顶间隙的压力分布,在叶顶间隙内部和叶顶的两侧诱导形成大尺寸涡系结构,阻碍压力侧的主流进入叶顶间隙,有效抑制了动叶叶顶泄漏流动;在激励频率一定时,随着激励电压的增加,叶顶泄漏流动引起的总压损失减弱,但过高的激励电压会造成额外的诱导涡损失;激励电压保持不变,激励频率的增大对叶顶间隙的高压区域无明显影响,而叶顶两侧的诱导涡得到增强并挤压相邻的通道涡,叶栅通道120%轴向弦长处截面的总压损失进一步降低,13 kV激励电压、12 kHz激励频率工况具有最低的总压损失系数,相比无等离子体激励降低了16.12%。研究阐明了等离子体激励电压与激励频率对透平叶顶区域流场以及叶栅气动性能的影响规律。

关键词：透平动叶等离子体激励叶顶泄漏流气动性能

燃气轮机透平叶片旋转内部冷却通道研究现状与发展趋势

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发电技术 2024年第5期45卷 793-801页

作者：任静李雪英清华大学能源与动力工程系北京市海淀区100084

【目的】透平叶片高效内部冷却技术对提高燃气轮机热效率至关重要,高温透平动叶作为燃气轮机的重要部件,对其冷却性能的把握显得尤为重要。由于科里奥利力(科氏力)、浮升力和通道结构对高温透平动叶内部通道冷却性能影响显著,因此,基于... 详细信息

【目的】透平叶片高效内部冷却技术对提高燃气轮机热效率至关重要,高温透平动叶作为燃气轮机的重要部件,对其冷却性能的把握显得尤为重要。由于科里奥利力(科氏力)、浮升力和通道结构对高温透平动叶内部通道冷却性能影响显著,因此,基于这些影响,总结归纳高温透平动叶内部冷却通道的研究现状与发展趋势。【方法】介绍了旋转内部冷却通道的新型结构设计,提出了一种适用于双层壁叶片构型的新型旋转内部冷却通道结构。【结论】双侧强化U形通道可以利用科氏力的强化换热作用,导致其冷却性能优于传统旋转U形通道,燃机透平动叶内部冷却有着广阔的提升空间。

关键词：燃气轮机透平动叶内部冷却旋转科氏力