不连续交错肋内冷通道换热和流动特性研究.pdf

不连续交错肋内冷通道换热和流动特性研究

摘要

燃气涡轮是燃气轮机中核心部件之一，对燃气轮机的效率和使用寿命起到了至关决

定的作用。目前，各界学者迫切希望通过提高燃气涡轮进口温度的方式，实现提高燃气

轮机性能的目的。在不改变燃气涡轮所处环境的情况下，只能试图通过改进涡轮叶片的

冷却结构对涡轮进口温度进行提升。自交错肋冷却结构出现后，学者们纷纷开始对其换

热机理和冷却通道结构进行大量研究，研究结果发现，交错肋冷却结构虽然可以提高通

道换热特性，但是流动损失比较大。为了获得更加高效的冷却结构，本文利用纵向涡发

生器具有高换热、低流阻的特性，对交错肋冷却结构进行重新设计，获得不连续交错肋

冷却结构。

基于上述的情况，本文从交错肋冷却结构模型出发，提取出模型的通道参数和肋参

数，进而获得不连续交错肋基本单元的基础参数，并针对基本单元进行气动与换热机理

分析。然后，将不连续交错肋基本单元按照一定规律排列起来，探究阻塞率对于不连续

交错肋的影响规律。在考虑基本单元换热机理以后，探究不同通道形状下流动方式对不

连续交错肋的影响规律，最后，将不连续交错肋结构与交错肋结构进行比较分析，研究

发现不连续交错肋结构确实能够提高通道的综合换热能力。按照如上的研究思路，本文

开展如下的具体研究过程：

首先，从某型高温涡轮导叶中，提取出交错肋冷却结构的几何参数（肋长、肋宽和

肋倾角），并依据纵向涡发生器高换热且低流阻的特性，获得不连续交错肋基本单元。

按照提取出的数据以一定的倍数放大缩小得到几何参数变化范围并对其进行无量纲化

处理。应用拉丁超立方算法对无量纲参数进行正交设计获得61组方案，对方案进行响

应面分析，得到参数的敏感性分析以及各个参数对于通道换热能力的影响趋势，并总结

出经验公式。在实际涡轮叶片通道中，仅有一个不连续交错肋单元是远远不够的，需要

将不连续交错肋单元有规律地排列起来，布置在涡轮叶片模型中，在获得不连续交错肋

基本单元最优几何参数基础上，进一步针对不连续交错肋的排列问题进行研究，得到肋

长与肋间距之间最佳比例关系（即阻塞率t/s=0.25），然后针对不连续交错肋通道进行

气热研究，进而分析不连续交错肋通道的整体换热性能。

其次，研究不同通道形状下气体流动方式对不连续交错肋产生的影响规律，将内冷

通道按照气体流动方向划分为横向流动和纵向流动，按照通道形状划分为矩形通道和楔

形通道，分别从流动特性和换热机理进行研究。对于楔形通道来说，横向流动通道比纵

I

哈尔滨工程大学硕士学位论文

向流动通道的TPF高7.15%左右；对于矩形通道来说，横向流动通道比纵向流动通道的

TPF高6.2%左右。

最后，将某型涡轮叶片内部交错肋冷却结构按照前、中、后、尾四个区域分别替换

为不连续交错肋结构，结果表明，前部不连续交错肋冷却结构的综合换热因子(TPF)比

交错肋结构提高了46.6%，中部不连续交错肋冷却结构的综合换热因子(TPF)比交错肋

结构提高了7.75%，后部不连续交错肋冷却结构的综合换热因子(TPF)比交错肋结构提

高了1.1%，尾部不连续交错肋冷却结构的综合换热因子(TPF)比交错肋结构提高了

3.49%。

关键词：燃气轮机；高温涡轮；内冷通道；不连续交错肋；气热研究

II

不连续交错肋内冷通道换热和流动特性研究

Abstract

Gasturbineisoneofthecorecomponentsofgasturbine,whichplaysacrucialrolein

determiningtheefficiencyandservicelifeofgasturbine.Atpresent,scholarsfromallwalksof

lifeareeagertoimprovetheperformanceofgasturbinebyelevatingtheinlettemperaturetoa