透平葉柵流動和換熱特性的數值研究.pdf

1、提高透平燃氣入口溫度可以有效提升燃氣輪機效率，但是葉片材料耐高溫性能的發(fā)展遠遠跟不上當今透平入口溫度提升的需求，因此發(fā)展更先進的冷卻技術迫在眉睫。氣膜冷卻作為現代渦輪部件的主要熱防護方式之一，研究其在透平葉柵中的流動和傳熱特性，可以幫助設計人員更好地優(yōu)化現有冷卻技術。在真實透平運行工況下，高溫、高壓、高旋轉、高湍度的條件使得關于真實透平的實驗研究困難重重。實驗室研究人員通常采取簡化的線性葉柵實驗或在苛刻條件下采用數值模擬的方法對透平展開

2、研究。本文將使用三種湍流模型對實驗中的簡化方式進行數值驗證，并對復雜氣膜冷卻的真實靜子葉柵中流-固耦合氣動和換熱特性進行研究。
　　本文的數值模擬是采用商業(yè)軟件SolidWorks2014進行建模，然后導入AnsysICEM15.0中劃分網格，使用Ansys Fluent15.0進行數值計算，最后應用流體力學視覺化軟件Tecplot3602013 R1、Excel2012等軟件進行數據后處理。主要研究內容聚焦在以下三個方面:

3、>　　(1)應用Realizable k-ε、SST k-ω和V2-F湍流模型，模擬了室溫室壓條件下，線性平面透平葉柵雙通道水洞實驗中的流動特性。分別使用這三種湍流模型，驗證了線性葉柵試驗中沿翼展中截面的流動對稱性簡化和使用雙通道模擬真實的流動周期性是可行的;研究了前緣及葉柵入口通道中的二次流變化，通過與實驗數據對比，發(fā)現V2-F模型能夠完整的預測出各個截面上的二次流特征，并很好的反映壓力側馬蹄渦在向下游流動時逐漸偏移向吸力側的過程。<

4、br>　　(2)使用V2-F湍流模型，分別研究了流體工質為不可壓縮的水和可壓縮的理想氣體兩種工況下，采用軸向旋轉角度約為7.826°周期性邊界條件的環(huán)形葉柵單通道和采用線性周期性條件的平面葉柵單通道中的靜壓分布。在這兩種工況下，分別比較了環(huán)形葉柵和線性葉柵中沿軸向順流方向和翼展高度方向上壓力變化的差異;指出將環(huán)形葉柵簡化為線性葉柵時，可接受的壓力相對誤差(≤5％)的分布區(qū)域，為線性簡化后提供了合理的研究區(qū)域;最后分別展示了環(huán)形葉柵與線性

5、葉柵中前緣及入口通道中的二次流變化特征。
　　(3)采用Realizable k-ε、SST k-ω和V2-F湍流模型，引入流-固耦合的分析方法，研究了實驗條件下的帶有復雜氣膜冷卻裝置的真實環(huán)形葉柵中的氣動和傳熱特性。分別比較了不同湍流模型預測的靜葉外表面靜壓分布、通道中的總壓損失、葉片外表面換熱系數及氣膜冷卻效率分布;并研究了主流入口與出口總壓壓比變化對流動和傳熱特性的影響;還對比了耦合傳熱及絕熱壁面條件下的氣膜冷卻效率，指出葉