一种透平端壁通道间隙冷却结构设计方法.pdf

(19)国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN115935754A(43)申请公布日2023.04.07(21)申请号202211677359.3G06F111/10(2020.01)(22)申请日2022.12.26G06F119/14(2020.01)G06F113/08(2020.01)(71)申请人西安交通大学地址710049陕西省西安市碑林区咸宁西路28号(72)发明人张垲垣栗智宇黄明李志刚李军(74)专利代理机构西安智大知识产权代理事务所61215专利代理师段俊涛(51)Int.Cl.G06F30/23(2020.01)G06F30/17(2020.01)G06T17/20(2006.01)G06F119/08(2020.01)权利要求书2页说明书10页附图4页(54)发明名称一种透平端壁通道间隙冷却结构设计方法(57)摘要本发明公开了一种透平端壁通道间隙冷却结构设计方法，属于透平端壁冷却技术领域。在传统热膨胀设计指标的基础上，将通道间隙冷气对端壁的冷却效果、端壁平台结构强度和叶栅流动特性等因素纳入通道间隙结构设计指标。根据端壁的气动传热性能参数，确定通道间隙宽度、冷气流量、安装角和安装位置等参数；根据叶片型线和端壁结构强度参数，选择倾斜式、多冷气腔室通道间隙结构，确定通道间隙深度参数。实现了通道间隙内部冷气流动控制，克服了通道间隙冷气聚积和利用率低等问题，提升了通道间隙冷气对端壁的气膜冷却效果，增强了通道间隙结构设计方法在实际应用中的适用性。CN115935754ACN115935754A权利要求书1/2页1.一种透平端壁通道间隙冷却结构设计方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：导入叶片及端壁造型几何参数，建立透平叶栅及端壁平台三维几何模型；步骤2：针对所述三维几何模型，对叶栅的流体域进行网格划分，得到叶栅流体域网格；对叶片和端壁平台的固体域进行网格划分，得到叶片及端壁固体域网格；步骤3：采用所述叶栅流体域网格，对叶栅及端壁的气动传热性能参数进行数值模拟计算，得到压力侧和吸力侧端壁传热系数分布，以及叶栅流场信息及冷气示踪变量发展轨迹；步骤4：采用步骤2所述叶片及端壁固体域网格以及所述叶栅及端壁气动传热性能参数，通过有限元软件对端壁平台进行离心应力和结构应力计算分析，得到端壁平台应力分布；步骤5：确定通道间隙的安装角α及安装位置；所述通道间隙安装角α指直槽型通道间隙与叶栅额线的夹角，所述直槽型通道间隙指由一个平直长方体腔室组成的通道间隙结构；步骤6：确定通道间隙宽度w；步骤7：根据所述通道间隙安装角α和所述通道间隙宽度w，通过调整通道间隙冷气流量MF调节冷气吹风比BR；步骤8：根据所述压力侧和吸力侧端壁传热系数分布，采用倾斜式通道间隙结构设计，使得通道间隙向平均传热系数较大的一侧端壁发生偏转，根据压力侧和吸力侧端壁传热系数的差值确定通道间隙的出射角β及倾斜方向；步骤9：根据所述叶栅流场信息及冷气示踪变量发展轨迹，获得通道间隙发生主流入侵的主要区域，采用双冷气腔室通道间隙结构设计，在通道间隙中主流入侵区域的尾端位置附近将内部冷气腔室分隔为两个独立的腔室，对于通道间隙内未发生主流入侵的情况，采用单冷气腔室通道间隙结构；步骤10：校核通道间隙设计气动传热及结构强度性能；步骤11：确定通道间隙深度h，所述通道间隙深度h指通道间隙出口与冷气腔室下方密封结构的距离。2.根据权利要求1所述透平端壁通道间隙冷却结构设计方法，其特征在于，所述步骤3，在数值模拟过程中，在各冷气入口分别添加不同示踪变量，以监测每个不均匀冷气泄露点的冷气在叶栅内流动的轨迹，变量的输运方程为：式中，Φ为变量浓度，ρ为流体密度，Uj和uj为流体速度，xj为坐标，t为时间，SΦ为源项。3.根据权利要求1所述透平端壁通道间隙冷却结构设计方法，其特征在于，所述步骤5，通道间隙安装角α由下式计算：α＝αs‑(5°～10°)通道间隙安装位置由下式确定：y1/y2＝0.9～1.1其中αs是叶片安装角，y1是通道间隙压力侧边沿与叶片压力面的最小距离，y2是通道间隙吸力侧边沿与叶片吸力面的最小距离；2CN115935754A权利要求书2/2页针对所述通道间隙安装位置与叶片或其倒角相交的情况，或者叶片安装角小于30度的情况，无法采用直槽式通道间隙结构，则采用两段式槽型设计通道间隙结构，所述两端式槽型指由两个夹角为90°～180°的直槽连接组成的通道间隙。4.根据权利要求1或3所述透平端壁通道间隙冷却结构设计方法，其特征在于，所述步骤5中，根据叶片压力侧、吸力侧型线及其偏转情况选择直槽型或两段式通道间隙结构，根据叶片安装角和通道间隙冷气流动轨迹确定通道间隙的安装角，根据叶片型线参数确定通道间隙的安装位置。5.根据权利要求3所述透平端壁通道间隙冷却结构设计方法