燃气涡轮叶片复合冷却结构参数化设计与数值研究

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1、国内图书分类号：TK472学校代码：10213国际图书分类号：621.438密级：公开工程硕士学位论文燃气涡轮叶片复合冷却结构参数化设计与数值研究硕士研究生：史振导师：韩万金教授申请学位：工程硕士学科：动力工程所在单位：能源科学与工程学院答辩日期：2015年6月30日授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TK472U.D.C:621.438DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringPARAMETRICDESIGNANDNUMERICALRESEARCHOFGASTURBINECOOLINGST

2、RUCTURECandidate：ShiZhenSupervisor：Prof.HanWanjinAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：PowerEngineeringAffiliation：EnergyScience&EngineeringDateofDefence：June,2015Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工程硕士学位论文摘要燃气轮机自问世以来，被广泛应用于航空、航海以及能源电力行

3、业，为了获得更高的推重比和效率，涡轮前入口温度被不断提高，目前已经远远超过叶片材料所能承受的范围，为了保证涡轮叶片的正常工作，提高其使用寿命，必须采用复杂的冷却技术。复杂的冷却方式导致叶片总体的结构繁杂，模型的建立和修改耗费大量时间，如何快速设计出满足要求的冷却结构至关重要。本文基于典型的气冷涡轮叶片，提出了各种冷却结构的参数化设计方法，并对某型燃机一级导叶进行了冷却结构设计，分析了叶片各部位的流动换热情况。在参数化设计中，本文将叶片整体结构分解为冷却通道、扰流肋、气膜孔和冲击孔几个基本特征，利用MATLAB与UG二次开发相结合的方法，编写了针对不同冷却结构

4、的参数化设计程序，并详细介绍了设计思路。利用本套程序，在进行气冷涡轮叶片的建模和修改时，只需输入相应的几何参数即可快速生成新的叶片结构，大大提高了设计效率。在对某型涡轮一级导叶的冷却结构设计中，本文先对叶片进行了只带气膜冷却的结构设计，根据无冷却结构时叶片表面的温度分布，确定出各排气膜孔的位置，文中比较了叶片吸力面采用圆形、梯形和扩张型孔时的流动换热情况，发现采用扩张型孔时具有较好的冷却效果，最终确定叶片的前缘和压力面采用圆形孔，吸力面为扩张型孔，尾部则采用劈缝的形式，并对叶片进行了数值模拟，分析了叶片不同位置处气膜孔的流动换热情况。结果表明，采用全气膜覆盖

5、冷却时，叶片表面温度已基本能达到设计要求。之后又在全气膜冷却叶片的基础上添加了冲击和扰流冷却结构，发现冲击和扰流冷却结构能有效的提高叶片内壁面的换热系数，使叶片整体的温度得到进一步降低，但在复合冷却叶片中，气膜冷却起着决定性作用。关键词：燃气涡轮；复合冷却结构；参数化设计；气热耦合；数值研究-I-哈尔滨工业大学工程硕士学位论文AbstractWiththeadventofgasturbine,ithasbeenwidelyusedinaviation,navigationandpowerindustry.Inordertogetthehigherthrust

6、-weightratioandefficiency,theturbineinlettemperatureisrising.Currently,thetemperaturehasbeenfarmorethanthatthebladematerialcanbear.inordertoensuretheturbinebladescanworksafelyandimprovetheirlifespan,complicatedcoolingtechnologymustbeused.Thecomplexcoolingmethodmakesthebladestructur

7、ecomplicated,theestablishmentandmodificationofthemodeltakealongtime,sohowtodesignthecoolingstructurethatmeettherequirementsquicklyisimportant.Basedonthetypicalair-cooledblade,aparametricdesignmethodhasbeenraised.Thispaperalsodesignedthecoolingstructureoftheturbineblade,analyzedthef

8、lowandheattransferofthisbl