蒸汽冷却叶片流固耦合数值模拟

燃气轮机具有效率高、体积小、重量轻、维护简单、机动性好、运行可靠、自动化程度高、造价低等优点，因而广泛应用在航空工业、陆用发电、天然气输送、石油、铁路和造船工业中。为了提高燃气轮机的效率，通常增加涡轮的入口温度使其接近理想配比燃烧温度。这样对涡轮部件产生了很大的热负荷，使得涡轮叶片的冷却成为一个关键的技术。迄今已经提出了许多种的冷却方法，其中利用从压气机引出的空气作冷却介质的开式冷却方案具有一系列优点，取自压气机高压级或出口的空气，流过叶片的内通道使其冷却，然后排入燃气流中去。但是，空气冷却技术将带来一系列的额外损失，其主要损失之一是在提高燃气轮机的初温时，需要使用相当数量的冷却空气，为此需要支出相当数量的压缩功，这就降低了燃气轮机装置的热效率。 这样希望采用其它介质来代替空气作冷却介质，要求这种新介质能提供较好的冷却效果。用水蒸汽取代空气作为燃气轮机的叶片冷却介质是能满足上述要求的。和空气相比水蒸汽冷却的优点在于水蒸汽的比热容大。需要的冷却蒸汽中主要热能部分，水泵功和机械能消耗是很小的，所以蒸汽冷却的损失要比空气冷却的小。这样也就允许增加冷却蒸汽流量来更多地提高燃气初温。冷却蒸汽流量的增加在冷却通道的流阻方面不会遇到什么困难，因为蒸汽压力不像空气压力那样要受到压气机出口压力的限制。 本文针对某型涡轮的第一级静叶进行了稳态三维流固耦合数值模拟，应用Por／E和ANSYS ICEM软件建立涡轮静叶的计算模型及其计算网格，并应用ANSYS CFX对涡轮蒸汽冷却叶片进行了热耦合模拟，介绍了叶片冷却计算的数值模拟方法及其基础理论，应用κ-ε双方程湍流模型，应用基于有限单元法的有限容积法进行离散，简单介绍了全耦合式的不完全LU分解算法和多网格求解技术，简单描述了流固耦合的参数传递和计算过程。 对两种基本的强化换热技术，即射流冲击冷却换热和肋片绕流冷却换热进行了基础研究，得到射流冷却一些参数规律和肋片绕流的流场参数分布规律。然后在前面基本强化换热的基础上，先对间隔板式冷却叶片进行了热耦合计算，然后再设计了蒸汽射流冲击式冷却叶片，得到叶片表面的温度场和传热情况，最后应用ANSYS MFS技术对计算出的间隔板式结构冷却叶片进行了热结构耦合数值模拟，得到叶片的热应力。