一种透平叶片气膜冷却结构改进设计方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种透平叶片气膜冷却结构改进设计方法及系统，以原型透平叶片为改进设计模板，对原型透平叶片分别进行流

【技术实现步骤摘要】
一种透平叶片气膜冷却结构改进设计方法及系统


[0001]本专利技术涉及燃气轮机改进
，具体涉及一种透平叶片气膜冷却结构改进设计方法及系统。

技术介绍

[0002]透平冷却技术的目标是以更小的燃机循环效率损失取得更好的透平冷却效果，更好的冷却效果会使燃机透平有更长的寿命与更高的可靠性，可以延长燃机透平部件更换的周期，对于降低燃机运行成本与保证燃机运行安全有重要意义。
[0003]透平气膜冷却研究的主要目的是利用有限的冷气量实现更好的气膜冷却覆盖以阻隔燃气，从而降低热壁面的热流密度、减小透平热负荷。研究气膜孔型、不同喷气条件(吹风比、密度比与动量比等)与主流条件(主流速度、压力梯度、湍流度与非定常性等)下的气膜冷却效果也是重要的工作方向，气膜冷却是流场结构高度复杂的对流传热问题，现有的透平叶片气膜冷却结构方式通过对原型叶片进行实际应用情况分析来判定改进的部位，并不能对其进行全面有效的改进，需要多次改进。

技术实现思路

[0004]有鉴于此，本专利技术实施例提供了一种透平叶片气膜冷却结构改进设计方法及系统，以解决现有技术中的改进方式对气膜冷却结构改进后的综合冷却效果不佳的不足。
[0005]为达到上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
[0006]本专利技术实施例提供了一种透平叶片气膜冷却结构改进设计方法，包括：步骤S1:获取对原型透平叶片分别进行流
‑
热
‑
固耦合分析、冷却空气流量特性测试、综合冷却效果试验，得到的原型透平叶片温度分析结果；
[0007]步骤S2:基于原型透平叶片温度场分析结果，对原型透平叶片内部冷却结构进行改进；
[0008]步骤S3:分析改进前后叶片的流量冷却空气流量偏差，生成气膜冷却结构的设计参数，根据设计参数在改进型透平叶片表面高温区域预布置气膜冷却孔；
[0009]步骤S4:对已布置气膜冷却结构的改进型透平叶片进行冷却空气流量特性校核，分析与原型透平叶片流量特性偏差，若该偏差符合预设要求则为初始改进型透平叶片继续下一步，若不符合调整气膜冷却结构；
[0010]步骤S5:对初始改进型透平叶片进行流
‑
热
‑
固耦合分析，对气膜冷却结构参数在叶片不同工况下进行优化；
[0011]步骤S6:对多级透平叶片进行流动分析，评估在原型透平叶片增加气膜冷却结构后对下游级气动特性的影响，若满足设计要求，继续下一步，若不满足，则返回步骤S5，继续优化气膜冷却结构；
[0012]步骤S7:对改进型透平叶片模型进行流
‑
热
‑
固耦合分析，校核叶片的强度和振动特性，若满足设计要求得到数值预测改进型透平叶片，继续下一步，若不满足，则返回步骤
S5，继续优化气膜冷却结构；
[0013]步骤S8:对数值预测改进型透平叶片开展综合冷却效果试验，并与原型透平叶片的综合冷却效果进行对比，验证改进设计方法的有效性和准确性，若满足设计要求，则获得满足最终的改进型透平叶片，若不满足，则返回步骤S5，继续优化气膜冷却结构。
[0014]可选的，所述步骤S1包括：
[0015]对原型透平叶片进行流
‑
热
‑
固耦合分析得到原型透平叶片的温度场、应力场、热变形量数据；
[0016]对原型透平叶片进行分腔室和全部腔室冷却空气流量特性测试，获得各腔室总流量和分腔室流量特性曲线数据；
[0017]对原型透平叶片进行综合冷却效果试验，获得叶片表面综合冷却效果的试验数据；
[0018]基于以上数据得到原型透平叶片的叶片外表面温度分布云图、叶片横截面的温度分布云图及叶片外表面的综合冷却效果分布云图。
[0019]可选的，所述步骤S2包括：基于叶片外表面温度分布云图、叶片横截面的温度分布云图及叶片外表面的综合冷却效果分布云图，对透平叶片内部冷却通道近尾缘处的扰流柱肋结构、各通道在靠近叶顶和靠近缘板附近的折转处的结构进行优化。
[0020]可选的，所述步骤S3中分析改进前后叶片的流量冷却空气流量偏差，生成气膜冷却结构的设计参数时，首先根据流量特性偏差确定气膜孔数量；其次，通过耦合分析获得的叶片表面温度场信息，分别确定压力面和吸力面局部高温区面积，根据高温区面积大小分配压力面和吸力面气膜孔数量，气膜孔中心线与压力面或吸力面夹角α在25
°
～35
°
之间。
[0021]可选的，气膜孔出流方向与垂直叶高方向平面夹角β为0
°
；按照气膜孔间距P与气膜孔径D比值在5＜P/D＜10布置气膜孔位置。
[0022]可选的，气膜孔沿叶片表面核心高温区中心线排列。
[0023]可选的，在原型透平叶片增加气膜冷却结构后对下游级气动效率的的影响的设计要求为小于0.3。
[0024]本专利技术实施例还提供了一种透平叶片气膜冷却结构改进设计系统，包括：
[0025]原型透平叶片分析模块，用于获取对原型透平叶片分别进行流
‑
热
‑
固耦合分析、冷却空气流量特性测试、综合冷却效果试验，得到的原型透平叶片温度分析结果；
[0026]原型透平叶片改进模块，用于基于原型透平叶片温度场分析结果，对原型透平叶片内部冷却结构进行改进；
[0027]冷却结构参数设计模块，用于分析改进前后叶片的流量冷却空气流量偏差，生成气膜冷却结构的设计参数，根据设计参数在改进型透平叶片表面高温区域预布置气膜冷却孔；
[0028]第一校核模块，用于对已布置气膜冷却结构的改进型透平叶片进行冷却空气流量特性校核，分析与原型透平叶片流量特性偏差，若该偏差符合预设要求则为初始改进型透平叶片继续下一步，若不符合调整气膜冷却结构；
[0029]改进型透平叶片三维分析模块，用于对初始改进型透平叶片进行流
‑
热
‑
固耦合分析，对气膜冷却结构参数在叶片不同工况下进行优化；
[0030]多级透平叶片分析模块，用于对多级透平叶片进行流动分析，评估在原型透平叶
片增加气膜冷却结构后对下游级气动特性的影响，若满足设计要求，继续下一步，若不满足，则返回改进型透平叶片三维分析模块，继续优化气膜冷却结构；
[0031]第二校核模块，用于对改进型透平叶片模型进行流
‑
热
‑
固耦合分析，校核叶片的强度和振动特性，若满足设计要求得到数值预测改进型透平叶片，继续下一步，若不满足，则返回改进型透平叶片三维分析模块，继续优化气膜冷却结构；
[0032]综合冷却效果分析模块，用于对数值预测改进型透平叶片开展综合冷却效果试验，并与原型透平叶片的综合冷却效果进行对比，验证改进设计方法的有效性和准确性，若满足设计要求，则获得满足最终的改进型透平叶片，若不满足，则返回步骤改进型透平叶片三维分析模块，继续优化气膜冷却结构。
[0033]本专利技术实施例还提供了一种本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种透平叶片气膜冷却结构改进设计方法，其特征在于，包括：步骤S1:获取对原型透平叶片分别进行流
‑
热
‑
固耦合分析、冷却空气流量特性测试、综合冷却效果试验，得到的原型透平叶片温度分析结果；步骤S2:基于原型透平叶片温度场分析结果，对原型透平叶片内部冷却结构进行改进；步骤S3:分析改进前后叶片的流量冷却空气流量偏差，生成气膜冷却结构的设计参数，根据设计参数在改进型透平叶片表面高温区域预布置气膜冷却孔；步骤S4:对已布置气膜冷却结构的改进型透平叶片进行冷却空气流量特性校核，分析与原型透平叶片流量特性偏差，若该偏差符合预设要求则为初始改进型透平叶片继续下一步，若不符合调整气膜冷却结构；步骤S5:对初始改进型透平叶片进行流
‑
热
‑
固耦合分析，对气膜冷却结构参数在叶片不同工况下进行优化；步骤S6:对多级透平叶片进行流动分析，评估在原型透平叶片增加气膜冷却结构后对下游级气动特性的影响，若满足设计要求，继续下一步，若不满足，则返回步骤S5，继续优化气膜冷却结构；步骤S7:对改进型透平叶片模型进行流
‑
热
‑
固耦合分析，校核叶片的强度和振动特性，若满足设计要求得到数值预测改进型透平叶片，继续下一步，若不满足，则返回步骤S5，继续优化气膜冷却结构；步骤S8:对数值预测改进型透平叶片开展综合冷却效果试验，并与原型透平叶片的综合冷却效果进行对比，验证改进设计方法的有效性和准确性，若满足设计要求，则获得满足最终的改进型透平叶片，若不满足，则返回步骤S5，继续优化气膜冷却结构。2.根据权利要求1所述的透平叶片气膜冷却结构改进设计方法，其特征在于，所述步骤S1包括：对原型透平叶片进行流
‑
热
‑
固耦合分析得到原型透平叶片的温度场、应力场、热变形量数据；对原型透平叶片进行分腔室和全部腔室冷却空气流量特性测试，获得各腔室总流量和分腔室流量特性曲线数据；对原型透平叶片进行综合冷却效果试验，获得叶片表面综合冷却效果的试验数据；基于以上数据得到原型透平叶片的叶片外表面温度分布云图、叶片横截面的温度分布云图及叶片外表面的综合冷却效果分布云图。3.根据权利要求2所述的透平叶片气膜冷却结构改进设计方法，其特征在于，所述步骤S2包括：基于叶片外表面温度分布云图、叶片横截面的温度分布云图及叶片外表面的综合冷却效果分布云图，对透平叶片内部冷却通道近尾缘处的扰流柱肋结构、各通道在靠近叶顶和靠近缘板附近的折转处的结构进行优化。4.根据权利要求3所述的透平叶片气膜冷却结构改进设计方法，其特征在于，所述步骤S3中分析改进前后叶片的流量冷却空气流量偏差，生成气膜冷却结构的设计参数时，首先根据流量特性偏差确定气膜孔数量；其次，通过耦合分析获得的叶片表面温度场信息，分别确定压力面和吸力面局部高温区面积，根据高温区面积大小分配压力面和吸力面气膜孔数量，气膜孔中心线与压力面或吸力面夹角α在25
°
...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖俊峰，于飞龙，高松，李园园，段静瑶，刘战胜，何伟，张浩浩，武耀族，伍赫，
申请(专利权)人：西安热工研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：