燃气涡轮无气膜冷却动叶参数化设计系统应用

推进技术 ›› 2015, Vol. 36 ›› Issue (6): 864-875.

燃气涡轮无气膜冷却动叶参数化设计系统应用

罗　磊,陈　朔,温风波,王松涛

哈尔滨工业大学能源科学与工程学院，黑龙江哈尔滨 150001,哈尔滨工业大学能源科学与工程学院，黑龙江哈尔滨 150001,哈尔滨工业大学能源科学与工程学院，黑龙江哈尔滨 150001,哈尔滨工业大学能源科学与工程学院，黑龙江哈尔滨 150001

发布日期:2021-08-15
作者简介:罗　磊(1987—)，男，博士生，研究领域为气冷涡轮叶片气动与传热设计。
基金资助:
国家自然科学基金委创新研究群体(51121004)。

Application of Parameterized Design System for Gas Turbine Rotor Blades without Film Cooling

School of Energy Science and Engineering，Harbin Institute of Technology，Harbin 150001，China,School of Energy Science and Engineering，Harbin Institute of Technology，Harbin 150001，China,School of Energy Science and Engineering，Harbin Institute of Technology，Harbin 150001，China and School of Energy Science and Engineering，Harbin Institute of Technology，Harbin 150001，China

Published:2021-08-15

摘要/Abstract

摘要： 为进行燃气涡轮冷却结构的设计，在考虑总的温度分布系数(OTDF)及不考虑OTDF两种情况下，采用一套设计方法，完成了燃气涡轮第一级动叶冷却结构的整体设计。通过设计表明:采用管网计算，并通过三维导热计算进行热分析，最后通过气热耦合计算能够快速地设计出较佳的冷却结构；不考虑OTDF设计时，第一腔流量为16.9g/s，第二腔流量为40.8g/s，最大无量纲温度0.700，采用双进口蛇形通道，换热效果较佳，且结构设计较为简单；考虑OTDF时，为达到设计要求，第一腔流量为18.2g/s，第二腔流量为25.4g/s，第三腔流量为5.3g/s，最大无量纲温度0.752。通过多方案设计，得出在无气膜情况下，采用三个冷气进口多回转通道能够达到较好的冷却效果。

关键词: 涡轮；冷却；管网计算；三维温度场计算；气热耦合计算

Abstract: Whether taking OTDF(Overall Temperature Distribution Factor) into account or not，a set of design system was used to accomplish the cooling structure design of the gas turbine first stage rotor blades. It shows that the optimal cooling structure can be fast obtained with pipe-net calculation，three-dimensional temperature field calculation performing thermal analysis and aero-thermal conjugated calculation. Moreover，without consideration of OTDF，flow rate of the first chamber is 16.9g/s，the second is 40.8g/s，and the highest dimensionless temperature is 0.700. Double inlet with serpentine channel has good effect on heat transfer and simple structure.To meet temperature requirement while taking the OTDF into consideration，flow rate of the first chamber is 18.2 g/s，the second is 25.4g/s，the third is 5.3g/s，and the highest dimensionless temperature is 0.752. Through multi-program design，a better cooling effect has been achieved by using three cooling air inlets and multi-turn channel under no film cooling condition.

Key words: Turbine；Cooling；Pipe-net calculation；Three-dimensional temperature field calculation；Aero-thermal conjugated calculation

罗　磊,陈　朔,温风波,王松涛. 燃气涡轮无气膜冷却动叶参数化设计系统应用[J]. 推进技术, 2015, 36(6): 864-875.

LUO Lei,CHEN Shuo,WEN Feng-bo,WANG Song-tao. Application of Parameterized Design System for Gas Turbine Rotor Blades without Film Cooling[J]. Journal of Propulsion Technology, 2015, 36(6): 864-875.

参考文献

[1] 江和甫, 胡正义, 邓化愚. 中国在燃气涡轮发动机燃烧和冷却技术方面的部分进展[J]. 燃气涡轮试验与研究, 2000, 13(1):1-4.
[2] 陈凯. 燃气涡轮冷却结构设计与气热弹多场耦合的数值研究[D]. 哈尔滨:哈尔滨工业大学, 2010.
[3] Srinath V E, Je-Chin Han. Detailed Heat Transfer Distributions in Two Pass Square Channel with Rib Turbulators [J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 1997, 40(11):2525-2537.
[4] Je-Chin Han, Dutta S, Srinath V E.Gas Turbine Heattransfer and Cooling Technology [M]. New York:Taylor &Francis, 2000.
[5] 陶智, 刘湘云, 丁水汀, 等. 不同肋间距变截面回转通道内的流阻和换热特性[J]. 航空动力学报, 2004, 19(5):640-644.
[6] 戚磊, 丁水汀, 陶智. 带肋变截面回转通道内换热特性的试验研究[J]. 航空动力学报, 2003, 18(5):629-633.
[7] 郭文, 吉洪湖, 蔡毅, 等.高压涡轮动叶内部冷却结构的改进设计[J]. 南京航空航天大学学报, 2006, 38(4):408-412.
[8] 李超. 高压涡轮动叶冷却结构改型设计数值研究[D]. 哈尔滨:哈尔滨工业大学, 2012.
[9] 虞跨海, 李立州, 岳珠峰. 基于解析及特征造型的涡轮冷却叶片参数化设计[J]. 推进技术, 2007, 28(6):637～656.(YU Kua-hai, LI Li-zhou, YUE Zhu-feng. Parametric Design for Cooling Turbine Blades Based on Analytic and Feature Modeling. [J]. Journal of Propulsion Technology, 2007, 28(6):637-656.)?
[10] 谢金芳. 基于管网计算理论的通用锅炉水动力计算系统的研究与应用[D]. 浙江:浙江大学, 2011.
[11] 胡捷, 刘建军, 江友钿. 燃气轮机透平叶片气热耦合计算[J]. 航空动力学报, 2011, 26(2):349-354.
[12] Lamont J, Ramesh S, Ekkad S V, et al. Heat Transfer Enhancement in Narrow Diverging Channels[R].ASME GT-2012-68486.
[13] Saha K, Acharya S. Effect of Entrance Geometry on Heat Transfer in a Narrow (AR=1:4) Rectangular Two Pass Channel with Smooth and Ribbed Walls[R]. ASME GT-2011-46076.
[14] 王松涛, 迟重然, 温风波, 等. 涡轮动叶冷却结构设计方法I:参数化方法[J]. 工程热物理学报, 2011, 32(4):581-584.
[15] 迟重然, 温风波, 王松涛, 等. 涡轮动叶冷却结构设计方法II-管网计算[J]. 工程热物理学报, 2011, 32(6):933-936.
[16] 迟重然. 气冷涡轮叶片的传热设计[D]. 哈尔滨:哈尔滨工业大学, 2010.
[17] Jen H F, Sobanik J B. Cooling Air Flow Characteristicsin Gas Turbine Components [R]. ASME 81-GT-76.(编辑:梅瑛)　　　　　　　　　　　　　*　收稿日期:2014-04-18；修订日期:2014-06-06。基金项目:国家自然科学基金委创新研究群体(51121004)。作者简介:罗磊(1987—),男,博士生,研究领域为气冷涡轮叶片气动与传热设计。E-mail:luolei_hit@126.com