燃气透平叶片前缘气膜冷却效率的试验研究

为了研究燃气透平叶片前缘气膜冷却的传热特性,建立了叶片可视化测试试验台,对叶片前缘区域的冷却效率进行了试验研究,分析了不同吹风比、不同主流雷诺数对叶片前缘区域冷却效率的影响.结果表明：气膜孔附近的冷却效率随吹风比的增大而提高,气膜孔下游的冷却效率随吹风比的增大而降低;冷却效率最高的区域在吸力面上,最低的气膜冷却效率在压力面上产生;低吹风比时主流雷诺数对叶片冷却效率的影响较小;但在高吹风比时,主流雷诺数对叶片前缘气膜孔附近的冷却效率影响较大.     

复合角度气膜冷却叶片的数值模拟

采用Realizable k-ε紊流模型,并结合Simplec算法和有限元法对体积进行离散,研究了静止叶栅前缘射流孔在2种复合角度α=30°、β=45°和α=135°、β=45°,不同吹风比M=0.5、M=1.0、M=1.5,主流温度为T∞=293 K时的压力面和吸力面温度场,并分析了典型工况下的气膜冷却效率.结果表明:相同复合角度、不同吹风比的压力面和吸力面冷却效率曲线变化趋势一致;前缘复合角度射流对整个吸力面的冷却效率有较大影响,随着吹风比的增大,冷却效率提高;当前缘复合角度为α=30°、β=45°时,压力面冷却效率随着吹风比的增大而提高,而当前缘复合角度为α=135°、β=45°时,随着吹风比的增大,压力面的冷却效率降低.     

涡轮叶片前缘复合冷却换热性能的实验研究

本文使用由半圆柱前缘和平直尾部组成的钝物体来模拟涡轮叶片前缘,利用高温风洞实验测试平台,对前缘区域进行了内部射流冲击+外部气膜冷却的实验研究,通过红外热像仪测量了叶片表面的温度场分布,分析了气膜吹风比、前缘位置、主流雷诺数对冷却效率的影响规律。实验中吹风比的变化范围为0.24~1.67,主流雷诺数的变化范围为55 420~111 615。实验结果表明:冷却效率随吹风比的增大而增大,在本文实验参数范围内,最佳吹风比约为0.81;位置2处的冷却效率最高;随着主流雷诺数的增大冷却效率有所提高。     

不同吹风比下双出口孔射流气膜冷却数值模拟计算

为了获得吹风比对新型气膜冷却孔冷却效率的影响规律,利用Fluent软件求解Navier-Stokes方程,对吹风比分别为0.5、1.0、1.5和2.0时单入口-双出口孔射流冷却效率进行了数值模拟计算,得到了不同吹风比下的流场和冷却效率.结果表明：吹风比对冷却效率有很大影响;随着吹风比的提高,不同次孔方位角下的冷却效率变化规律也不相同;当次孔方位角γ=30°时,吹风比为1.0时的冷却效率最高;当γ=45°时,冷却效率随着吹风比提高而提高;当γ=60°时,冷却效率随着吹风比提高而降低;在研究高吹风比对气膜冷却效率的影响时,γ=45°最佳.     

叶片前缘波纹形气膜孔不同参数冷却特性研究

为了解决涡轮叶片前缘的冷却问题,提出结构简单的波纹形气膜孔的概念。对影响孔冷却特性的4个重要参数(吹风比、倾斜角、扩展角和后倾角),采用4因素4水平下的田口方法进行优化,并采用数值计算的方法将其冷却效率与参考孔型(圆柱形气膜孔)进行对比。其中,固定前缘孔间距30 mm,斜向倾角23°,并与试验保持一致。结果表明：吹风比为1、倾斜角为30°、扩展角为20°和后倾角为0°的波纹形气膜孔结构,壁面平均冷却效率达到0.36,冷却效果最佳;同时,随着吹风比的增大,该气膜孔结构前缘壁面平均冷却效率增长趋势明显,且在吹风比为2时冷却气流依旧具有良好的贴壁性能,壁面平均冷却效率超过圆柱形气膜孔82.96%。     

重型燃气轮机透平第一级动叶气膜冷却特性数值模拟研究

采用Realizable k-ε湍流模型,并结合Simple算法和有限体积法对三维定常不可压缩N-S方程进行离散,对某重型燃气轮机透平第一级动叶在不同吹风比和主流湍流度条件下的气膜冷却效率进行了数值模拟。结果表明:气膜冷却能够有效地降低叶片表面的温度,但叶片前缘吹风比的改变对冷却效果的影响不是很大,在前缘滞止线两侧仍然存在较大的高温区;在压力面侧和吸力面侧,随着吹风比的增大,沿叶片展向平均冷却效率分布都得到了提高;低吹风比时,吸力面靠前缘区域孔排中的冷却孔保持单孔冷却特点,孔间区域冷却效果较差;主流湍流度对气膜冷却效果产生了明显的影响,但影响趋势因不同吹风比而各不相同,其对冷却射流的影响主要集中在气膜孔下游扩散上。     

旋转对复合角度气膜冷却叶片的数值模拟

采用Realizable k-ε紊流模型并结合SIMPLEC算法,对前缘复合角度α=30°、β=45°,α=90°、β=45°的动叶栅在不同旋转状速度下的气膜冷却效率进行计算。分析了不同转速、吹风比、叶片前缘射流角度对气膜冷却效率的影响。计算结果表明:旋转导致冷却射流向叶顶偏移,转速越高气膜冷却效率越低;高转速时叶盆区域有回流涡旋形成;高吹风比使得冷却射流在吸力面的贴壁性变差;比较两种前缘冷气喷射角度的计算结果可以看出,前缘冷却气流喷射角度较小时的气膜冷却效果较好。     

气膜孔堵塞对叶片吸力面气膜冷却的影响

为阐明热障涂层工艺造成的气膜孔堵塞对气膜冷却的影响机理,采用数值模拟方法研究了叶片吸力面在气膜孔堵塞比为0.2、0.5和0.8,吹风比为0.5、1.0、1.5和2.0时的气膜冷却效率变化.结果表明:堵塞比越大,气膜冷却效率下降幅度越明显,孔下游气膜覆盖面积越小;相比无堵塞情况,堵塞比为0.8时展向平均气膜冷却效率退化为51％～98％,堵塞比为0.5时展向平均气膜冷却效率退化为24％～86％,堵塞比为0.2时展向平均气膜冷却效率退化小于5％;中小堵塞比时气膜冷却效率受吹风比变化的影响明显,大堵塞比时气膜冷却效率受吹风比变化的影响较小;随着堵塞比的增大,孔内喉部区域冷气出流时动量增大,冷气射流得到抬升,使气膜贴附性大幅变差.     

孔间距对燃气轮机动叶气膜冷却效果的影响

为了提高燃气轮机动叶的气膜冷却效果,采用Realizable k-ε湍流模型,并结合Simple算法和有限体积法对三维定常不可压缩N-S方程进行离散,在不同吹风比和主流湍流度条件下,分析了某重型燃气轮机孔间距对动叶气膜冷却效率的影响.结果表明:在一定条件下,随着孔间距的增大,冷却气体覆盖程度变差,冷却效率下降;受到叶片前缘孔排冷气的动量叠加,叶片后缘孔排气膜冷却效率明显高于前缘孔排气膜冷却效率;相同孔间距下,随着吹风比的增大,叶片综合冷却效率呈现升高的趋势;在其他条件一定的情况下,吹风比M=1.4时,主流湍流度越大,气膜冷却效率越低,但影响较小.     

猫耳孔气膜冷却热弹力学性能分析

本文对由双射流气膜冷却(Double-Jet Film Cooling)发展来的猫耳孔气膜冷却技术进行数值分析。采用单向流固耦合的方法研究不同几何结构的猫耳形气膜孔在不同吹风比下的热弹力学性能。结果表明:吹风比为1.5时,前向角起始位置从气膜孔入口至出口方向的0.25增加到0.75,最大综合冷却效率降低13.4%,最大等效应力降低20.8%;对于所研究的猫耳形气膜孔,吹风比越大,综合冷却效率越高,最大等效应力也呈现上升趋势;前向角从5°增加到10°时,综合冷却效率提高,最大等效应力也随之增大;扩张角由14.5°增大至16°时综合冷却效率下降,最大等效应力增大。     

不同形状气膜孔对气膜冷却效果的影响

采用RNGk-ε湍流模型对扇形角(锥形角)γ为30°的垂直扇形气膜冷却单孔射流流场下游的流动和传热特性进行了详细的数值模拟,并将沿程方向的速度分布、相同吹风比下的冷却效率与相同条件下圆孔射流的计算结果进行了比较分析。结果表明:射流轨迹对横向主气流的影响主要集中在射流发生弯曲直至与主气流平行的区域内;喷孔为圆孔时,吹风比越小,射流中心线越靠近壁面,其冷却效率越好;吹风比相同,扇形喷孔的冷却效率高于圆孔的冷却效率;扇形孔的冷却效率并不随吹风比的变化而单调变化,而是在吹风比为1.0时存在最佳值。图7参10     

入射角度对缩放槽缝孔气膜冷却效果的影响

基于有限体积法对三维定常不可压缩N-S方程进行离散,采用两层k-ε湍流模型,在吹风比M为0.5、1.0、1.5和2.0的情况下,数值研究了入射角度(α=25°、45°和60°)对缩放槽缝孔气膜冷却效果的影响,对不同入射角度的气膜冷却整体效果进行了对比分析。结果表明:在任何吹风比的情况下,α=25°喷射时的冷却效率高于其它喷射角的冷却效率,并且随着吹风比的增大,小角度喷射优于其它喷射角的趋势也越来越大;入射角度为45°和60°的气膜孔沿孔排下游的冷却效率在下降过程中重新升高然后又继续下降,60°喷射角的上升趋势略大于45°角的上升趋势;大角度喷射时,在气膜孔下方生成了强度较强的反向涡旋对,两个旋涡之间的距离较近,冷却气流的附壁性较差,冷却效率较低。小角度喷射时,所生成的反向涡旋对与大角度喷射相比尺度较小、强度较弱,冷气射流对主流的阻碍作用比较小,冷却效率较高。     

气膜孔布置对旋流双层壁结构流动传热特性影响研究

为了研究气膜孔复合角和孔排布方式对冲击诱导旋流气膜双层壁冷却流动与耦合传热的影响,采用流固耦合的数值计算方法,对不同吹风比下4种气膜孔复合角的综合冷却效率和射流流动结构进行了详细研究,同时研究了两种气膜孔排布方式对旋流双层壁结构流动和传热的影响,揭示了4种气膜孔复合角θ下射流空间旋涡的形成、发展和演化过程,并对比分析了不同吹风比下4种气膜孔复合角对面积平均综合冷却效率和总压损失系数的影响。结果表明：气膜孔排布方式不同时,气膜孔复合角对综合冷却效率的影响相差较大。吹风比为1.0时,单旋流交错排布方式下增大气膜孔复合角可以有效提高射流的展向覆盖范围,从而提高综合冷却效率,θ=30°时的面积平均综合冷却效率比θ=0°时高约14.22%;双旋流交错排布时θ=30°比θ=0°时的面积综合冷却效率提高约4.58%。吹风比增加到2.0时,由于射流穿透主流吹离了冷却壁面,降低了气膜保护效果,使得冷却壁面均匀性变差,并且双旋流交错排布时尤为明显。随着吹风比的增加,两种气膜孔排布方式的总压损失系数均呈指数形式增加。     

短长径比圆锥组合孔及心形孔的气膜冷却流动特性研究

为改善薄壁双层壁叶片的气膜冷却特性,基于圆锥孔构建了圆锥组合孔,并对心形孔结构进行优化,研究了2种气膜孔在不同吹风比下的冷却、流动特性以及气膜孔内涡旋结构对射流涡旋结构的影响.结果 表明:气膜孔入口处射流发展对出口射流的冷却、流动特性具有决定作用;气膜孔下游射流涡旋结构与吹风比有关,当吹风比为1.0时,心形孔和圆锥组合孔的气膜冷却效率均达到最高;心形孔下游中心区域为典型的反肾形涡旋结构,当吹风比为1.0时其气膜冷却效率相较于圆锥组合孔提高了约8％.     

双叉排孔脉动射流气膜冷却效率的实验与数值模拟研究

采用高精度红外热像仪测量了平板绝热气膜冷却效率,比较了双叉排孔和单排孔气膜冷却效率,分析了吹风比(M=0.65,1.0,1.5)和脉动频率(St=0,0.01,0.015,0.025)以及孔间作用对气膜冷却效率的影响,结合数值计算得到的瞬态流场和温度场分析了脉动射流气膜冷却下的流动传热机理。结果表明：在稳态射流工况下,单排孔的气膜冷却效率随着吹风比的增加而减小,双叉排孔的气膜冷却效率却随着吹风比的增加而增大;在脉动射流时,单排和双叉排孔的气膜冷却效率在低吹风比下低于稳态射流,在高吹风比下,脉动射流对气膜冷却效率的影响减小,且低频脉动射流气膜冷却效率略高于稳态射流。     

涡轮单排气膜孔与前缘结状凸起耦合数值研究

气膜冷却作为涡轮的主要冷却方式之一,如何提高其冷却效率是当前研究重点.本研究在涡轮前缘构造结状凸起结构,采用源项技术模拟气膜孔,研究吹风比分别为1,3下,前缘结状凸起对单排气膜孔冷却效率的影响,详细分析温度以及涡量等参数.结果表明:单排气膜孔处于相同吹风比时,改型叶片并没有比原型叶片带来更好的改善效果;单排气膜孔吹风比呈交叉排列时,在波谷布置大吹风比的气膜孔,在波峰布置小吹风比气膜孔能够提高10％的冷却效率.其原因在于大吹风比下波谷处会形成反肾型涡,从而抵消肾型涡的影响.     

姊妹孔与单入双出孔平板气膜冷却效率的数值模拟

采用Fluent分离隐式求解器进行稳态计算,在吹风比为0.5、1.0、1.5和2.0的情况下,采用Realizable k-ε湍流模型对圆柱孔、单入双出孔和姊妹孔平板气膜冷却进行数值模拟,讨论不同孔形平板主流方向和平板横向的冷却效率以及流场变化.结果表明:主流方向在近孔区域姊妹孔冷却效率高于单入双出孔,且随着吹风比的增大优势更加明显,但是由于射流贴附壁面较早,射流与主流掺混引起动量损失,到远孔区域以后,姊妹孔冷却效率稍微下降,低于单入双出孔;姊妹孔平板横向近孔区域的气膜层分布较均匀,单入双出孔远孔区域由于主孔与次孔射流速度差引起气膜层偏移,导致平板一侧冷却效果好,另一侧冷却效果欠佳;吹风比较小时单入双出孔冷却效果较佳,大吹风比下姊妹孔优势明显.     

冲角和孔排间距对端壁气膜冷却效率的影响

燃气轮机在变工况运转时透平叶栅和级的特性对燃机总体性能影响极大,而叶栅端壁气膜冷却效率是关键因素。为了提高端壁气膜冷却效率,通过优化气膜孔间距排列的方法,在叶栅端壁20%、50%、90%轴向弦长处和距前缘-10%轴向弦长端壁处布置单排带复合角度的圆柱形气膜冷却孔,运用CFD(计算流体动力学)方法对冲角(10°、0°、-10°)在不同吹风比(1、1.5、2)条件下端壁气膜冷却效率进行对比分析。结果表明:采用气膜孔非等距排列方式能有效缓解因横向压力梯度变化引起的马蹄涡在压力侧的阻隔作用,压力侧冷却效率较高;高吹风比的冷却射流会出现抛射冷却,能有效抑制冷却射流脱离壁面,壁面平均冷却效率提高;主流正冲角有利于提高端壁吸力侧气膜冷却效率,压力侧变化不大。     

气膜冷却共轭传热性能对CMAS颗粒沉积规律影响研究

基于颗粒速度、温度、粘度和组分之间的函数关系以及与壁面的碰撞、反弹、粘附和去除机制,建立了CMAS(CaO MgO Al2O3 SiO2)颗粒在涡轮叶片表面沉积的数学模型,研究了不同吹风比0≤M≤2和粒径下气膜冷却共轭传热性能对气膜冷却有效度、CMAS沉积效率和沉积规律的影响规律。结果表明：当吹风比为0≤M≤2时考虑共轭传热的平均气膜冷却有效度随吹风比非线性增大,M>1.5时气膜孔下游出现明显的对转涡对和冷却剂射流分离;气膜孔出口存在被CMAS堵塞的潜在风险,小吹风比时气膜孔被严重堵塞,大吹风比时气膜孔间以及下游气膜覆盖间隙处形成典型的扇形周期性沉积“犁沟”,CMAS沉积效率随吹风比的增大而减小;分析工况下,随着粒径增大沉积效率显著降低,粒径为4 μm时沉积效率最大,可达28.5%。     

入射角对气膜冷却效果影响的数值研究

采用Realizablekε-湍流模型对吹风比M=1.0时平板单圆孔不同入射角度的气膜冷却流场进行了三维定常数值模拟,得出了沿程速度、气膜冷却效率及壁面努塞尔数的分布,并对流场的流动和传热特性进行了详细分析.结果表明：随着入射角度的减小,射流在沿程方向的影响区域有所增加,最大速度点的位置逐渐下移,但并不是按入射角度减小成线性递减;在各种射流角度下,最大冷却效率均出现在气膜孔下游附近的区域,并沿程逐渐降低;当5〈x/d〈20时,冷却效率在入射角度α=10°时最大,α=70°时最小;射流下游壁面的Nu在分离点附近出现峰值,吹风比相同时,α=10°时Nu最大,α=70°时最小;在流动区域内存在反向涡旋对,小角度射流时气膜良好的贴壁性抑制了反向涡旋对的抬升和发展,其换热效果在展向的影响范围相对较小.