高压涡轮叶顶间隙气动及传热研究

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1、硕士学位论文高压涡轮叶顶间隙气动及传热研究RESEARCHONHIGHPRESSURETURBINEBLADETIPAERODYNAMICANDHEATTRANSFER周治华哈尔滨工业大学2015年6月国内图书分类号：TK472学校代码：10213国际图书分类号：621.438密级：公开工学硕士学位论文高压涡轮叶顶间隙气动及传热研究硕士研究生：周治华导师：王仲奇教授申请学位：工学硕士学科：动力机械及工程所在单位：能源科学与工程学院答辩日期：2015年7月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedInd

2、ex:TK472U.D.C:621.438DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringRESEARCHONHIGHPRESSURETURBINEBLADETIPAERODYNAMICANDHEATTRANSFERCandidate：ZhouZhihuaSupervisor：Prof.WangZhongqiAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：PowerMachineryandEngineerin

3、gAffiliation：SchoolofEnergyScienceandEngineeringDateofDefence：July,2015Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要燃气轮机在航空、航海、电力、石油等能源应用领域起着关键作用，涡轮作为高速旋转核心部件之一，其性能直接影响到燃气轮机的整体性能。高压涡轮动叶与静止机匣之间间隙的存在，不仅导致涡轮气动性能下降，且使得叶顶全部处于高温燃气中，容

4、易造成叶顶区域烧蚀及磨损。对动叶叶顶进行有效防护能减少泄漏损失，降低叶顶表面温度，提高动叶使用寿命。本文从凹槽间隙二维模型开始，分析间隙内部的流动换热情况，并展开平面叶栅间隙实验研究，从气动方面探讨间隙泄漏流动控制方法，采用数值模拟对三维动叶的流动及传热进行详细的研究。本文首先构建凹槽间隙二维模型，研究凹槽间隙尺寸、凹槽高度、宽度、间隙进出口压比对间隙内部的流动情况、损失、泄漏流量进行分析；分析凹槽上壁面运动对内部流动的影响；在上壁面运动条件下在凹槽内部展开气膜冷却，研究吹风比、冷气孔相对位置及冷气孔角度对

5、壁面Nu数的影响。结果表明间隙尺寸越小、凹槽宽度和高度越大、压比越大，间隙内部损失越大，相应的泄漏流量越小；壁面运动使得凹槽间隙内部损失增大，泄漏流量降低；冷气孔相对位置位于泄漏流冲击凹槽底面位置上游时，气膜冷却能够有效降低壁面Nu数。对肋条叶顶及叶顶喷气对平面叶栅间隙泄漏流动影响展开实验研究，探讨叶顶肋条结构及喷气位置对泄漏流动控制效果，并通过数值计算对泄漏流量分布进行讨论。结果表明肋条叶顶局部位置开口会导致泄漏流量增加，叶顶喷气位置距压力边越近，对通道涡的影响越大，小间隙下肋条叶顶、喷气能够降低叶栅出口

6、总损失，实现对泄漏流动的控制，在大间隙下无法实现对泄漏流动的有效控制。对动叶进行数值计算分析了叶顶结构及气膜冷却对气动及传热的影响。对5种间隙尺寸的肋条高度研究表明，肋条高度增加会导致动叶损失先减小后增加，且间隙越大，叶顶凹槽对泄漏流动控制效果越显著。凹槽起始、结束位置距前、尾缘越小，动叶气动损失越小。叶顶肋条尾缘开口方式中，损失随压力侧开口增大先减小后增加，吸力侧开口增大使得损失持续下降。平面叶顶气膜冷却能够有效降低冷气孔下游叶顶温度，对上游及前缘位置基本无作用效果。凹槽叶顶气膜冷却冷气在凹槽尾部堆积，对

7、叶顶前缘位置无冷却作用。最后气热耦合计算结果表明，叶顶无冷却时，叶顶肋条前缘与吸力侧温度相对较高，压力侧肋条由于前缘及压力面冷气的间隙泄漏使其相对叶顶其余位置较低，Case4中对前缘靠叶顶位置布置径向孔、叶顶布置冲击肋条的冷气孔使得叶片表面高温区面积显著下降，叶片最高温度较其他方案最低，实现了对叶顶的有效冷却。-I-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文关键词：高压涡轮；叶顶间隙；泄漏流；叶栅实验；气动性能；气膜冷却-II-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文AbstractGasturbineplaysakeyrole

8、intheaviation,marine,electricpower,oilandotherenergyapplicationfields.Turbine,asoneofthehighspeedrevolutioncorecomponents,itsperformancedirectlyaffectstheoverallperformanceofgasturbine.Theexistenceofclearance