燃气透平第一级叶片燃气侧的流动与换热特性研究

第53卷第2期2011年4月汽轮机技术TURBINETECHN0L0GYV0153NO2APR201L燃气透平第一级叶片燃气侧的流动与换热特性研究、刘锐，王新军，白晓伟，慕粉娟1西安交通大学叶轮机械研究所，西安710049；2哈尔滨汽轮机厂有限责任公司，哈尔滨150040摘要对某重型燃气轮机透平第一级叶栅通道内无气膜冷却下的三维黏性流动与传热特性进行了数值模拟，对比了不同来流湍流度对叶片燃气侧流动与换热特性的影响，分析了静叶非定常尾迹对动叶换热特性的影响。结果表明来流湍流度对静叶表面的换热特性有明显的影响，但对动叶表面换热特性的影响很小；静叶尾迹对动叶表面的换热特性影响较大。关键词燃气透平；数值模拟；换热特性；湍流度；非定常尾迹分类号TK471文献标识码A文章编号10015884201102012203NUMERICALSIMULATIONONGASSIDEHEATTMNSFERFORAGASTURBINEFIRSTSTAGEBLADEUURUI，WANGXINJUNBAIXIAOWEI，MUFENJUAN1INSTITUTEOFTURBOMACHINERY，XIANJIAOTONGUNIVERSITY，XIAN7100K49，CHINA；2HARBINTURBINECOMPANYLIMITED，HARBIN150040，CHINAABSTRACTNUMERICALSTUDYWASCONDUCTEDTOINVESTIGATEHEATTRANSFERCHARACTERISTICANDTHREEDIMENSIONALVISCOUSFLOWOFTHEFIRSTSTAGEBLADESWITHOUTFILMCOOLINGOFAHEAVYDUTYGASTURBINEFLOWANDHEATTRANSFERCHARACTERISTICSOFGASSIDEACCOUNTFORDIFFERENTLEVELSOFFREESTREAMTURBULENCEINTENSITYWEIECOMPAREDTHEEFFECTOFUNSTEADYSTATORWAKEONHEATTRANSFEROFROTORBLADEWASANALYZEDTHERESULTSSHOWTHATHEATTRANSFERONSTATORBLADESURFACEISAFFECTEDSIGNIFICANTLYBYTHETURBULENCEINTENSITYHOWEVER，HEATTRANSFERONROTORBLADESURFACEWHICHISASSOCIATEDWITHSTATORWAKEISNOTSENSITIVETOTHETURBULENCEINTENSITYKEYWORDSGASTURBINE；NUMERICALSIMULATION；HEATTRANSFERCHARACTERISTIC；TURBULENCE；UNSTEADYWAKE0前言现代燃气轮机的透平进口温度越来越高，透平第一级叶栅所承受的热负荷也随之增加，因此对叶片必须采取先进的冷却技术，这就需要准确预测叶片燃气侧换热系数的分布。影响叶片换热系数的因素很多，湍流度和叶栅尾流是两个重要因素，引起了研究人员的广泛关注”J。其中MEHENDALE等研究了高湍流度对无气膜冷却时静叶前缘区的换热特性，HAN等人的实验结果表明，尾迹的存在使叶片表面的热换系数增大100一200。MAYLE等人通过引入一种时间平均间歇因子，将非定常效应的计算转化为定常流的计算。但是国内外的学者对湍流度和叶栅尾流对叶片换热的影响的研究并不充分。更好的叶片冷却结构的设计还是需要更细微地了解湍流度和尾流对叶片换热的影响，以确保冷却结构设计的合理性。本文对某重型燃气轮机透平第一级壹塑塑堕扬进行了三维黏性数值计算，收稿日期20101011分析了来流湍流度对第一级叶栅燃气侧换热特性的影响，以及静叶栅不稳定尾迹对动叶栅换热特性的影响。对于叶片冷却结构的设计具有参考价值。1计算模型与方法验证11控制方程采用有限容积法离散NAVIERSTOKES方程，采用SIMPLE算法进行数值求解，湍流模型采用两方程标准七一模型。透平叶栅通道内定常流动和非定常流动的控制方程通用形式可以表示为定常流动DIVPDIVFGRAD4,S1非定常流动DIVPDIVNRADS2式中，为通用变量，取值为1、“、T、后和时，上式分别代表连续方程、动量方程、能量方程、K方程和S方程；，为广基金项目国家重点基础研究发展计划973计划资助项目NO2007CB707701。作者简介刘锐1987一，男，西安交通大学能源与动力工程学院硕士生，主要从事叶轮机械气动热力学的研究。第2期刘锐等燃气透平第一级叶片燃气侧的流动与换热特性研究123义扩散系数；S为广义源项。在非定常流动的计算里，应用REYNOLDS时均方程的模拟方法，将非稳态控制方程对时间作平均，得出时间平均下的传热系数。12计算网格和边界条件基于轴对称假设，计算区域为静叶与动叶的单个叶栅通道。计算网格如图1所示，叶栅通道采用O型网格，进出口通道采用H型网格，网格总数为54万。Y0，I则说明存在错分情况口J，IJ1，2，N即为错分样本数。最终的分类结果矩阵为厂3000L03OO1003OL0003仿真输出结果表明错分样本总数为0，应用本文的算法可以正确且有效地诊断多类汽轮机故障。4结论1本文提出了一种主成分分析提取故障特征、支持向量机进行故障分类的汽轮机故障诊断方法。基于PCA的故障特征提取，在力保原始数据信息丢失最小的情况下滤除不相关的变量信息，不仅提高了SVM的分类性能，同时也降低了计算量；2对于支持向量机参数的取值，引入了基于错分样本数的蚁群优化算法，克服了以往反复试验以确定其参数的缺点，大大减少了工作量，优化后的分类器只需少量的故障样本就能够实现汽轮机故障的快速诊断。3仿真结果表明该方法克服了汽轮机故障诊断中特征提取难、样本要求高、推广能力弱的不足，具有速度快、精度高、鲁棒性好等特点，为汽轮机故障诊断的发展提供了一个新的思路。参考文献1韩璞，等火电厂计算机监控与检测M北京中国水利出版社，2OO5，32翟永杰，王东风，韩璞基于多类支持向量机的汽轮发电机组故障诊断J动力工程，2003，235269426983孙宗海支持向量机及其在控制中的应用研究D杭州浙江大学，20034张国宣基于统计学习理论的支持向量机分类方法研究D合肥中国科技大学，20045韩璞，张德利，韩晓娟，等基于主成分分析法与贝叶斯网络的汽轮机故障诊断方法J热能与动力工程，2008，2332442476鲁昌华，汪涌，王玲飞基于PCA和SVM的模拟电路故障诊断J电子测量与仪器仪表，2008，22364687毛志阳，陆爽基于KL变换和支持向量机的滚动轴承故障诊断J煤矿机械，2006，27610841086，8魏俊，周步祥，林楠，等基于蚁群支持向量机的短期负荷预测J电力系统保护与控制，2009，3743740、9曹占辉，李言俊基于支持向量机和蚁群算法的空间目标分类J航空计算技术，2008，38315一L81O吴海珍，何伟，蒋加伏，等基于蚁群智能和支持向量机的图像分割方法J计算机工程与设计，2009，30240841011KINDTVT，MONMARCHN，TERCINETF，ETA1ANANTCOLONYOPTIMIZATIONALGORITHMTOSOLVEA2一MACHINEBIERITERIAFLOWSHOPSCHEDULINGPROBLEMJEUROPEANJOURNALOFOPERATIONALRESEARCH，2002。1422250257上接第124页参考文献1MEHENDALEAB，HANJCINFLUENCEOFHIGHMAINSTREAMTURBULENCEONLEADINGEDGYHEATTRANSFERJASMEJOUMALOFHEATTRANSFER，1991，1138438502ZHANGL，HANJCCOMBINEDEFFECTOFFREESTREAMTURBULENCEANDUNSTEADYWAKEONHEATTRANSFERCOEFFICIENTSFROMAGASTURBINEBLADEJASMEJOUMALOFHEATTRANSFER，1995，1172963023HARTJCINFLUENCEOFUNSTEADYWAKEONHEATTRANSFERCOEFFIEIENTSFROMAGASTURBINEBLADEJASMEJOURNALOFHEATTRANSFER1993，1159049114MAYLERETHEROLEOFLAMINARTURBULENTTRANSITIO