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原文传递涡轮叶片内冷通道内的颗粒沉积及流动传热特性研究

论文题名：	涡轮叶片内冷通道内的颗粒沉积及流动传热特性研究
关键词：	船舶燃气轮机;涡轮叶片;内部冷却通道;颗粒沉积;流动传热
摘要：	船舶燃气轮机长期工作在高盐、高湿的海洋环境中，随压气机抽取的气体中会携带一些杂质颗粒，这些颗粒可能沉积在燃气轮机涡轮叶片内部冷却通道的各个表面，导致涡轮的换热性能衰退，进而影响到船舶燃气轮机涡轮的安全运行和使用寿命。因此为了更好的强化燃气轮机内部通道中的流动换热情况，提高内部冷却通道对叶片的冷却性能，保证叶片的使用寿命，提高其环境适应性，在高温涡轮内部冷却通道设计时兼顾相应污染物沉积的影响是十分必要的。　　本文从随压气机抽取的气体携带的颗粒，进入冷却涡轮内部冷却通道内的颗粒动力学特性及颗粒与壁面相互作用特性出发，建立高温壁面速度场影响下的颗粒沉积模型，利用用户自定义函数实现沉积模型与CFD程序的嵌套。并将船舶燃气轮机内部冷却通道简化为平板直肋单通道和U型平板通道，使用BSLk-ω湍流模型模拟内部通道连续相，拉格朗日法跟踪颗粒运动轨迹。　　对于平板直肋单通道，主要研究肋型对换热性能和颗粒沉积特性的影响。研究结果表明，肋倾角减少可以使流体在肋间壁面形成横向二次流，导致流体与壁面的换热能力增强，同时改变了颗粒撞击壁面时的法向速度与切向速度，从而影响颗粒在肋间壁面的沉积情况;肋间距的增大使肋间区域流体与壁面接触更加充分，颗粒与壁面接触的区域变大，颗粒与肋间壁面撞击与沉积数量增加;肋的高宽比改变了流体的扰动情况，影响了主流与壁面的换热能力，同时改变了颗粒在肋间壁面的撞击与沉积情况。　　对于U型平板通道，首先研究7种不同肋片角度及1种弯头处加导流片的肋结构。研究结果表明，改变下游肋倾角可以改善颗粒在弯头侧壁上的沉积，但不会对弯头侧壁面的沉积有改善或者恶化的作用，增加导流片的U型平板通道可以使弯头侧壁面的沉积量减少。然后研究在气膜孔与壁面之间夹角β=90°，下游肋倾角α(α=30°，45°，60°，75°，90°)，及在下游肋倾角α=60°，气膜孔与壁面之间夹角β(β=30°，45°，60°，75°，90°)的八种不同内冷结构下的流动换热性能及颗粒沉积情况。结果表明，下游肋倾角α=60°，气膜孔与壁面之间夹角β=45°的U型肋通道，在八个内冷结构中弯头壁面沉积率最少，换热性能最好，是能够有效改善船舶燃气轮机冷却涡轮的海洋环境工作适应性，减少内部冷却通道中颗粒沉积的内冷结构。　　本文采用数值模拟的方法对平板直肋单通道、U型平板通道中颗粒的沉积和换热特性进行研究。开发新的沉积模型，在原有的临界速度沉积模型的基础上，增加考虑颗粒撞击壁面时的临界切向速度，进一步的丰富沉积模型。并且得出关于燃气轮机内部冷却通道的换热情况和颗粒在壁面的沉积情况的相关结论，对今后的燃气轮机内部冷却通道的设计提供了一定的理论基础。
作者：	赵宏杰
专业：	动力工程及工程热物理
导师：	郑群
授予学位：	硕士
授予学位单位：	哈尔滨工程大学
学位年度：	2021