燃气透平静叶微颗粒碰撞和沉积特性的数值分析

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1、工程硕士学位论文燃气透平静叶微颗粒碰撞和沉积特性的数值分析作者姓名吕浪工程领域动力工程校内指导教师杨承副教授校外指导教师李敏毅高级工程师所在学院电力学院论文提交日期2018年3月NumericalAnalysisofMicro-particleCollisionandDepositiononGasTurbineStatorBladesADissertationSubmittedfortheDegreeofMasterCandidate：LvLangSupervisor：Prof.YangChengS

2、outhChinaUniversityofTechnologyGuangzhou,China分类号：TK16学校代号：10561学号：201521011692华南理工大学硕士学位论文燃气透平静叶微颗粒碰撞和沉积特性的数值分析作者姓名：吕浪指导教师姓名：杨承，副教授；李敏毅，教授级高级工程师申请学位级别：工程硕士（全日制）工程领域名称：动力工程论文形式：ꇶ产品研发ꇶ工程设计√应用研究ꇶ工程/项目管理ꇶ调研报告研究方向：高效低污染燃烧论文提交日期：2018年3月9日论文答辩日期：2018年3月11日学位

3、授予单位：华南理工大学学位授予日期：年月日答辩委员会成员：赵增立、马晓茜、廖艳芬、卢志民、杨承主席：赵增立委员：马晓茜、廖艳芬、卢志民、杨承I摘要燃气轮机发电作为一种先进的发电技术，具有供电效率高、占地面积小、启停快速灵活、污染排放少等优点，是目前世界电力生产的重要方式之一。燃气轮机运行时吸入大量的环境空气，由于空气中含有固体微颗粒、水等成分，尤其在整体煤气化联合循环发电系统（IntegratedGasificationCombinedCycle，IGCC）及燃料为重油中的燃气轮机中，燃料本身含有的

4、杂质和添加剂燃烧后的残余物掠过透平时，与透平叶片发生碰撞、腐蚀、沉积等行为，增加了叶片表面的粗燥度，降低了透平叶片的过流面积，改变了叶片的形状，恶化了静叶表面的冷却和热障涂层的工作性能，严重影响了燃气轮机运行的[1~3]效率和稳定可靠性。因此研究燃气透平静叶积垢的形成机理，分析微颗粒在燃气透平静叶上的碰撞和沉积特性，讨论冷却射流吹风比、颗粒物性、进口参数对微颗粒碰撞和沉积的影响，为减轻微颗粒对燃气透平安全、高效和健康运行的影响具有重要意义。[4]针对上述背景，本论文选用Art和DeRouvroit等

5、人，提出的高负荷跨声速透平静叶叶柵为物理模型基础，该物理模型用三维软件PROE建立后，以.STEP的格式导入ICEMCFD进行模型优化和网格化分；基于颗粒沉积模型及拉格朗日模拟方法，将颗粒与静叶表面接触后发生的反弹、黏附、脱落等行为通过C语言编译程序并导入Fluent颗粒轨迹模型，采用控制变量法来研究微颗粒在燃气透平静叶上的碰撞和沉积特性；讨论了不同冷却射流吹风比、透平进口参数、颗粒本身物性等对其影响。为验证模拟的可靠性，对本文研究所选取的网格数进行了独立性验证，对静叶表面气动特性、温度对微颗粒沉积

6、的影响等采用相关文献的实验结果验证，结果表明本文所选取的网格数合理且模拟结果与文献实验数据吻合较好。本文主要研究结论如下：颗粒直径小于2μm时，颗粒的惯性力较小，受流体曳力和流场力作用较大，随流性较强，随着颗粒直径的增大，惯性力作用变大，随流性减弱。颗粒直径0.1~5.0μm的范围内，碰撞率随颗粒直径的增大而增大，黏附率随着颗粒直径的增大反而减少，沉积率随着颗粒直径的增大先增大后减少，主要沉积位置随颗粒直径的增大往静叶前端移动；颗粒直径为0.1μm时，在叶片背面和压力面都有碰撞和沉积，直径为1.0~

7、2.5μm时，沉积和碰撞大都发生在压力面后半部分和前驻点附近，直径为5.0μm时，沉积大都发生在压力面前半部分。冷却射流的加入大大减少了气膜孔附近微颗粒的沉积，微颗粒总体沉积率随吹风比的增加先下降后上升；进口温度的上升，0.1~2μm颗粒碰撞率和沉积率变化不大，3~5μm颗粒碰撞率降低而沉积率上升；进口马赫数的增加，0.1~3μm颗粒碰撞率和沉积率变化II不大，3~5μm颗粒碰撞率变化不大而沉积率下降；颗粒杨氏模量的增大，颗粒沉积率下降而碰撞率上升，且这种影响随粒径的增大而增大。颗粒密度的增大，0.

8、1μm颗粒碰撞率和沉积率变化不大，1~4μm颗粒碰撞率和沉积率上升，5μm颗粒碰撞率上升而沉积率有所下降。关键词：微颗粒；透平静叶；碰撞特性；沉积特性；吹风比；进口参数IIIABSTRACTGasturbinepowergenerationisanadvancedpowergenerationtechnology,withadvantagesinhighefficiency,compactsize,quickstartandenvironment-friendline