● 摘要
到目前为止，针对涡轮部件的气热耦合计算已开展了一系列的工作，但是相关研究仍然没能将多个区域之间的相互影响考虑进去，耦合仅仅局限于叶栅流体与叶片之间，实际上，盘腔出流冷气对主流的影响以及叶片与涡轮盘之间的导热量都是不容忽视的因素。为了更加准确地预测涡轮内的热状况，本文将采用整场耦合的方法，将叶栅内流体、转静系内流体与涡轮作为统一的整体进行气热耦合，充分考虑涡轮各个区域之间的热量传递来进行求解，以获得一个准确可信的计算结果。并以此为基础展开一系列的研究分析。本文采用数值方法对某小型燃气轮机的涡轮进行模拟，通过多区域整场耦合求解的方式得出涡轮盘叶的三维温度分布及其周围流场的流动换热性能。然后将结果与绝热边界条件和不含冷却结构两种非多区域耦合的计算结果相对比。结果表明，多区域整场耦合的方法既考虑到气动性能和传热性能之间的相互影响，又考虑了盘腔出流冷气对主流的干涉，计算得出的涡轮温度以及压力分布更加合理，更能准确地预测涡轮叶片以及盘内的温度场以及热应力分布。所以耦合计算方法能够得出更准确的热状况，为强度设计提供更可靠的信息。为了对盘腔冷却结构的优化做准备，本文还在此基础上研究了盘腔内封严冷气的流动特性。比较了三种进口速度下盘腔冷气所表现处不同的作用效果，不仅体现在盘腔封严性能上也体现在对主流燃气的作用上。此外还进行了瞬态计算，观察了在不同时刻燃气入侵程度的变化以及盘腔封严性能随着涡轮转动而进行的周期性变化。同时，为了研究不同结构对封严性能的影响，本文还对盘腔建立了双层封严罩，研究了新结构与原结构所表现出的不同特性。而以上各项分析将为盘腔冷却结构的进一步优化设计做准备。