微型燃气轮机涡轮背盘冲击冷却特性研究

受可靠性和成本制约,微型燃气轮机冷却技术的发展和应用一直较为缓慢,已成为其进一步提升热效率的主要瓶颈。针对此问题,提出了一种简单可靠的径流涡轮新型冷却技术-背盘冲击冷却,使用气热耦合的方法对该冷却技术的冷却特性进行了仿真研究。结果表明:背盘冲击冷却可以大幅降低径流涡轮背盘的温度。当冷却气体流量为主流的2%时,冷却流体温度从473.0降到323.0 K,背盘平均温度降低了143.0～202.0 K;当冷却温度为323.0 K时,冷却气体消耗量从主流质量流量的1%增加到4%时,背盘平均温度降低150.0～252.0 K。冷却流体流入主流后会对其产生一定的影响,每增加1%的冷却流量,涡轮机效率下降约1%。     

涡轮叶片前缘气膜冷却的数值研究

对前缘带有2排冷却孔的高压涡轮叶栅进行了气膜冷却数值计算,在吹风比分别为0、0.7、1.1、1.5的情况下得到了叶片型面的静压分布,并将计算结果与实验数据进行了对比研究.此外,还详细分析了冷却孔出口附近区域的流场特性.结果表明,吹风比对叶片型面的压力分布影响不大,只是在冷却孔附近有较为明显的变化.同时,由于冷气射流的注入,在冷却孔后出现了一对旋转方向相反的肾形涡,此时增大吹风比不会对旋涡产生明显的影响,但对旋涡下游流场的影响比较明显.     

射流角度对叶尖间隙泄漏流动换热特性的影响

采用数值方法模拟了某涡轮叶尖间隙流动换热特性,分析了射流孔角度和吹风比对间隙泄漏流量、气动效率和气膜冷效的影响。研究结果表明:在叶尖表面注入冷却射流对间隙泄漏流有阻塞作用,且随着射流角度的增加而增大;因此间隙泄漏流量随着射流角度的增加而减小,气动效率随着射流角度增加而增大;同时,叶尖表面气膜冷效随着射流角度的增加而减小。此外,冷却射流的阻塞作用随着吹风比的增加而增大,因此间隙泄漏流量随着吹风比的增加而减小;涡轮气动效率随着吹风比的增加而增大;同时,气膜冷效随着吹风比的增大而增大。     

气膜孔形状对冷却效率影响的数值研究

采用控制容积法对三维定常不可压缩雷诺时均紊流方程(N-S方程)进行了离散,并在吹风比M为0.6和1.2的情况下,利用非结构化网格及两层k-e湍流模型,对气膜孔几何形状对涡轮叶片气膜冷却效率的影响进行了数值模拟,得到气膜孔附近的流场分布.结果表明:圆柱形孔的冷却效率随吹风比的增大而明显降低.前向扩张孔的冷却效率优于圆柱形孔,射流在叶高方向上扩展较广,在侧向孔间区域的气膜冷却效率较高.缩放槽缝孔在不同吹风比下的冷却效率均高于圆柱形孔和前向扩张孔,而且在孔下游较远区域,2个孔之间沿叶高方向的气膜覆盖性较好.缩放槽缝孔和前向扩张孔不同程度地抑制了反向涡旋对的产生,因而提高了射流对壁面的贴附性,增强了壁面的冷却效果.     

预旋角对径流涡轮背盘射流冷却的影响

采用背盘射流冷却技术对径流式涡轮机热负荷较大的区域进行冷却。采用气热耦合的方法,研究了该冷却技术在预旋角为60°～120°内对背盘冷却特性的影响。结果表明:背盘射流冷却可以大幅提高径流涡轮背盘的冷却效率;预旋角为60°时背盘冷却效果最好,随着预旋角的增加,背盘冷却效果变差;相同径向位置时,冷却系数在0.01～0.02,预旋角每增加15°,背盘平均冷却效率约降低0.003,当冷却系数为0.02～0.04时,预旋角每增加15°,背盘平均冷却效率降低0.016～0.050;冷却流体流入涡轮主流流道后,涡轮机效率受到冷却流体的影响而降低,当预旋角为60°时,冷却流体对涡轮机效率影响最小。     

平板气膜冷却孔下游湍流场的试验研究

利用二维粒子图像测速（PIV）技术,在吹风比为0.5和1.0、雷诺数为480时,对平板直冷却孔和弯曲冷却孔下游湍流场的流动结构进行了测量,得到了中心截面及射流下游4个流向横截面上的平均速度、涡量分布以及烟雾显示照片,并分析了弯曲冷却孔通道对下游涡结构沿流向演化过程的影响.结果表明：冷却孔射流具有较低的射流轨迹,可以增强气膜的贴附效果,有利于提高冷却效率;弯曲冷却孔能为气膜提供较强的横向动量,使其具有较高的横向扩展能力,从而改善气膜的侧向覆盖效果.     

气膜孔形状对涡轮叶片气膜冷却影响的研究进展

气膜冷却是航空发动机叶片上采用的冷却方式之一,气膜孔结构对冷却效率影响非常显著。通过对不同形状孔射流气膜冷却回顾,指出了圆柱孔射流冷却的有害涡流动结构。论述了几何结构和气动参数对气膜冷却特性的影响,提出了一种高效气膜冷却孔结构——双出口气膜孔。利用商业软件对双出口射流的冷却效率进行了数值模拟。结果表明,双出口孔射流时,形成的涡结构有利于冷气贴附在壁面。最后给出了圆柱孔和双出口孔射流冷却效率对比结果,无论在平板上还是在叶片前缘,双出口孔射流冷却效率都明显高于圆柱孔射流冷却效率。     

气膜孔形状对涡轮叶片气膜冷却效果的影响

基于控制容积法对三维定常不可压缩N-S方程进行离散,采用非结构化网格及两层k-ε湍流模型,在吹风比M为0.6和1.2的情况下,数值模拟了气膜孔几何形状对涡轮叶片气膜冷却效果的影响,得到了气膜孔附近的流场分布.所选孔形为圆柱孔、前向扩张孔、开槽前向扩张孔及新型缩放槽缝孔.结果表明:圆柱孔的冷却效率随着吹风比的增加而显著地降低;开槽前向扩张孔的冷却效率优于圆柱孔和前向扩张孔;缩放槽缝孔在不同吹风比下的冷却效率均高于其它3种孔形,缩放槽缝孔和开槽前向扩张孔不同程度地抑制了反向涡旋对的产生,提高了射流对壁面的贴附性,增强了壁面的冷却效果.     

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.     

压力面气膜冷却射流复合角的数值研究

基于冷气喷射模型的验证结果,对复合角分别为0°、30°和60°三种条件下的叶片压力面前部单排孔喷射的气膜冷却特性进行了三维环形叶栅数值模拟,详细分析了在不同吹风比条件下的叶片气膜冷却效率特征。分析结果表明:Coolinh/Bleed冷气喷射模型得出的预测结果可靠。复合角使射流孔附近孔间区域冷却效率值升高。低吹风比下,复合角不能改善展向气膜冷却效率分布的均匀性;高吹风比下,复合角使展向气膜冷却效率更加均匀分布,且可减弱冷却射流脱离壁面的程度。但是,复合角不一定能增强冷却孔下游的整体气膜冷却效果。     

Numerical Investigations of the Influence of Unsteady Vane Trailing Edge Shock Wave on Film Cooling Effectiveness of Rotor Blade Leading Edge

Unsteady numerical simulations of a high-load transonic turbine stage have been carried out to study the influences of vane trailing edge outer-extending shockwave on rotor blade leading edge film cooling performance. The turbine stage used in this paper is composed of a vane section and a rotor one which are both near the root section of a transonic high-load turbine stage. The Mach number is 0.94 at vane outlet, and the relative Mach number is above 1.10 at rotor outlet. Various positions and oblique angles of film cooling holes were investigated in this research. Results show that the cooling efficiency on the blade surface of rotor near leading edge is significantly affected by vane trailing edge outer-extending shockwave in some cases. In the cases that film holes are close to leading edge, cooling performance suffers more from the sweeping vane trailing edge outer-extending shockwave. In addition, coolant flow ejected from oblique film holes is harder to separate from the blade surface of rotor, and can cover more blade area even under the effects of sweeping vane trailing edge shockwave. As a result, oblique film holes can provide better film cooling performance than vertical film holes do near the leading edge on turbine blade which is swept by shockwaves.     

考虑进气预旋的离心压缩机流动的数值分析

对某单级离心压缩机内的流动进行了数值模拟.计算结果表明,扩压器内压力最大的位置出现在蜗舌附近;当进口无预旋或预旋不大时,叶轮内流动参数的周向分布和一周叶片的受力情况是不对称的;在进口大预旋条件下,除蜗舌附近的周向位置外,叶轮内流动参数和主叶片受力趋于周向对称分布.     

排气蜗壳与轴流涡轮相互作用的气动性能研究进展

排气蜗壳是连接燃气轮机末级涡轮与大气的关键部件,同时也是进一步提高动力装置输出功率最有潜力的部件之一,其与上游末级轴流涡轮因紧密耦合而产生的流动复杂性和非定常性可对涡轮和排气蜗壳的气动性能产生较大影响。国内外研究大多集中于单独的排气蜗壳性能和优化,而对排气蜗壳与轴流涡轮之间耦合的相互作用研究很少。本文主要从排气蜗壳内流动和损失机理、涡轮和排气蜗壳之间流动的相互作用以及排气蜗壳和轴流涡轮耦合的数值研究方法等方面对排气蜗壳内部流场分布及其与轴流涡轮流动相互作用的气动性能研究进展进行综述,重点梳理了二者流动的相互作用以及相关研究方法。最后,对排气蜗壳与轴流涡轮气动性能耦合研究的未来研究重点和发展趋势进行了展望。     

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。     

冷却空气量对涡轮冷却性能影响综述

涡轮冷却技术被广泛应用于航空发动机及燃气轮机涡轮研发中,冷却空气的引气量成为影响整机效率的重要因素之一。本文基于现代燃气轮机及航空发动机涡轮叶片采用外部冷却与内部冷却结合的复合冷却的技术发展背景,综述了国内外在冷却空气量对涡轮叶片冷却性能影响方面的研究进展,分析并总结了冷却空气量对气膜冷却、交错肋冷却以及对综合冷却效率的影响规律,并对未来的研究方向给出了一定的建议。分析表明：对气膜孔形状的探索是未来气膜冷却技术研究的重点;交错肋研究主要处于定性研究阶段,对定量研究方法的探索是目前的发展趋势;对综合冷却效率的研究还处于起步阶段,未来可以从外部冷却和内部冷却之间的相互作用关系方面对综合冷却效率开展进一步的研究。     

跨音速离心压气机级间静压测量研究

为获得车用涡轮增压器离心压气机各元件进出口及周向静压分布,开展了跨音速离心压气机级间静压测试研究。研究结果表明:蜗舌结构未造成导风轮进口静压分布周向不均匀(导风轮进口周向压力波动在2.5 kPa之内);蜗舌结构导致短叶片轮缘静压分布的周向不均匀性;同一转速下,跨音速流动最高效率工况周向静压分布不均匀;叶轮跨音速时,蜗壳沿着流动方向进行减速扩压;同一转速下,扩压器静压提升变化很小(约在3 kPa之内),而叶轮静压提升变化很大(约13～50 kPa),叶轮静压提升的改变决定压比流量特性线的陡峭程度。     

涡轮增压器进/排气蜗壳结构优化与性能分析

为了分析涡轮增压器涡轮部件进/排气蜗壳对涡轮级性能的影响及相互作用机理,提高涡轮效率,采用数值模拟的方法对涡轮增压器中的进/排气蜗壳进行优化设计,提出进气蜗壳和排气蜗壳的优化方案,并与涡轮整机联合运算,对比分析涡轮整机的性能。结果表明:进气蜗壳主要对静叶10%叶高的来流攻角产生影响,优化方案可为涡轮提供更好的进口条件,排气蜗壳主要对动叶尾缘的载荷分布产生影响,优化方案可以增加涡轮的做功能力,进/排气蜗壳的优化设计可使整机总静效率提高1.19%。     

Numerical investigation of influence of the clocking effect on the unsteady pressure fluctuations and radial forces in the centrifugal pump with vaned diffuser

The relative position between the diffuser vane and the volute tongue (clocking effect) has a great effect on the performance of the single-stage centrifugal pump, which however, is often ignored by designers. In this paper, the influence of clocking effect on the unsteady pressure fluctuation in a centrifugal pump and on the radial force of impeller is investigated. The hydrodynamic performance of the centrifugal pump with vaned diffuser was experimentally measured. Numerical simulation based on the Reynolds-averaged Navier–Stokes (RANS) combined with the SST k-w turbulence model was used to obtain hydrodynamic performance of the centrifugal pump. The numerical results of the hydrodynamic performance were in agreement with the experimental data. The results show that the clocking effect has great influence on the pressure fluctuation and on the unsteady radial force imposed on the impeller. When the diffuser vane approaches the volute tongue, the pressure fluctuation intensity in volute is relatively lower. Meanwhile, relatively larger radial force on the impeller and the lower efficiency are obtained when the diffuser vane is near the volute tongue. Thus, it is suggested that the volute tongue should be located near the middle of two diffuser vanes to obtain better performance.     

阻尼拉金结构的长叶片透平级气动性能数值研究

文章采用商用计算流体动力学软件ANSYS—CFX数值求解Reynolds—Averaged Navier-Stokes（RANS）方程和标准k-ε紊流模型方法数值研究了考虑阻尼拉金结构的汽轮机长叶片透平级的气动性能．分别计算分析了无阻尼拉金结构、椭圆型阻尼拉金结构和流线型阻尼拉金结构的汽轮机长叶片透平级的流场特性．详细分析了阻尼拉金对长叶片透平级气动性能的影响特性。研究结果表明：阻尼拉金的存在对长叶片流场的影响主要位于叶片吸力面附近。采用椭圆型拉金及流线型拉金长叶片的透平级与无拉金的情况相比,透平级等熵效率分别降低0．313％和0．206％．采用流线型阻尼拉金后透平级等熵效率比椭圆型拉金提高0．107％．相比于椭圆型阻尼拉金结构的长叶片．流线型阻尼拉金结构在其尾缘处的分离涡基本消除．拉金尾缘处的流动损失减少。