径流涡轮背盘冲击冷却特性研究

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微型燃气轮机具有体积小、重量轻、噪音小、成本低等一系列优点,广泛应用在航空、分布式能源、石油、铁路和造船工业中。微型燃气轮机的循环热效率随着涡轮进口温度上升而不断提高,因此为了提高微型燃气轮机的效率,通常采用增加涡轮入口温度的方法来实现。但由于空间尺寸和可靠性的制约,对径流式涡轮进行冷却,提升其涡前温度,一直是微型燃气轮机研究领域的重点和难点。基于此本文提出了径流涡轮背盘冲击冷却技术,并利用气热耦合数值仿真方法,对径流式涡轮机背盘冷却特性展开了研究。研究内容主要包括以下两个方面:一是通过数值模拟对无蜗壳的径流涡轮背盘射流冲击冷却结构进行基础研究,主要包括气动参数和几何参数数对流动和换热特性的影响规律。其中气动参数主要有:冷却流量、冷却温度;几何结构参数主要包括:射流孔预选角度、射流孔数目、背盘间距;二是在带有蜗壳的径流涡轮采用背盘射流冲击冷却结构,分析以下两种影响射流冷却的因素,1、蜗壳的形状对冲击冷却效果的影响,2、改变射流孔的排布对背盘冲击冷却特性的影响;根据计算结果,得出以下主要结论:1、径流涡轮热负荷较大的部位主要位于涡轮背盘及叶片叶尖部分,该新型背盘冲击冷却技术对该两处区域的冷却效果的影响均比较明显,尤其是对背盘热负荷较大的高位区域。在简化的无蜗壳径流涡轮模型中,随着冷却温度的提升,背盘冷却效果变差,当冷却气体温度一定时,冷却气体相对流量从1%增加到4%,相比较原来无冷却时,背盘平均温度降低了 150K-252K。2、所选用的五种预选角度中,预旋角0=60°时冷却效果最好,预旋角越大背盘冷却效果越差。增加射流孔的个数可以提高背盘冷却效率分布的均匀性,同时也可以提高背盘平均冷效。冲击孔间距增大时,背盘表面所受到冲击压力减小,冲击冷却的换热效果减小,此时靶面对流换热作用加强,在本文的计算工况范围内,冲击孔间距的选择1.0mm时背盘冷却效果最好。3、蜗壳造成的周向流场不均匀可以引起涡轮背盘冷却效率分布的畸变,蜗壳压力较高的区域由于主流的压制,冷却流体出流困难,冷却效率较低;压力较低的区域,冷却流体出流容易,可能进一步起到强化局部换热的效果。通过优化射流孔均布方案的不同相位角,对蜗舌附近的冷效均匀性有一定的改善,不过改善效果较小;但通过在蜗舌附近加密射流孔,使得涡轮背盘最低冷却效率和最高冷却效率分别比均布方案提升14.9%和4.1%,冷效均匀性比均布方案提升了 17.9%。
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