基于快响应压敏漆和高温磷光热图的气膜冷却非定常实验测量技术综述

涡轮内部流动及冷却射流的湍流特性决定了气膜冷却具有强烈的非定常性,精确获取高时空分辨率的气膜冷却换热特性对揭示其内在机理尤为重要。本文针对气膜冷却的非定常测试需求,聚焦于气膜冷却中涉及的壁面气膜动态覆盖以及叶片表面温度测量,从测量原理、测试系统及实际应用方面依次介绍了两种气膜冷却非定常实验测量技术。基于快响应压敏漆能够测量涡轮叶片、叶身及端壁的非定常气膜冷却,进而利用高温磷光热图评估近发动机工况下高温叶片表面的动态温度分布。     

叶片旋转转速和吹风比对涡轮外环双层壁结构阵列冲击冷却特性的影响研究

采用数值模拟的方法,基于稳态雷诺平均方程（URANS）耦合k-ω SST模型和滑移网格法分析了涡轮叶片旋转扫掠条件下带有非定常气膜出流的外环腔内阵列冲击传热特性。在外环冲击-气膜复合冷却结构中,冲击孔和气膜孔呈交错排列,冲击距与冲击孔直径之比为1.25,斯特劳哈尔数St=2.35、3.52（对应转速Ω=10 000、15 000 r/min）,吹风比M=0.5、1及1.5。结果表明：叶片旋转扫掠效应引起的气膜孔出口压力波动会诱导冲击孔入口的瞬时质量流量发生变化,而时均质量流量几乎保持不变;吹风比在0.5~1.5之间变化时,靶面的瞬时和时均平均冲击换热特性随着吹风比的增大而增强;相同的吹风比时,叶片转速的提高对靶面瞬时和时均换热特性的影响非常微小。     

某型涡轮动叶气动性能的实验研究

在环形涡轮叶栅低速风洞上,对原型和改型两套动叶栅进行了不同冲角下的吹风实验。应用五孔探针与设置在叶片表面上的静压测孔,分别测量了叶栅出口横截面的气动参数沿节距与叶高的分布以及根、中、顶3个廻转面内静压系数沿叶型的分布。实验结果表明:与原型动叶比较,改型动叶总损失在-10°、-5°、0°、5°和10°5个进气冲角条件下分别降低了6.17%、4.73%、13.53%、19.34%和21.7%,而且具有良好的冲角适应特性。     

不同盘面粗糙度对低转速多支路预旋盘腔流动特性影响的研究

在转静盘腔实际工作中,盘面的粗糙度对气体预旋比、流量系数、压力系数、转矩系数和轴向力系数的影响很大。为了得到低转速预旋盘腔中不同盘面粗糙产生的影响,本文采用ANSYS CFX 19.2进行数值模拟并通过实验验证其准确性。在几何模型固定情况下通过改变出流支路数、转盘转速(1 000~3 000 r/min)和粗糙度程度(0~50 μm),研究转盘、静盘和转静盘粗糙工况下的盘腔主要无量纲准则数。结果表明：多支路出流会一定程度提高预旋盘腔内的流动效果,并且转盘和静盘粗糙产生的边界层不同会导致对相关系数的影响不一样。当转静盘均粗糙时,在对气体预旋比和转矩系数的影响中,转盘粗糙占主导作用;而对压力系数和轴向力系数的影响中,静盘粗糙占主导作用。     

燃气轮机叶片预扭叶冠应力计算与分析

以某型燃气轮机动力涡轮动叶为研究对象,通过仿真计算开展了预扭叶冠应力分布规律的研究。计算过程考虑了离心力载荷、压力载荷、热载荷、预扭约束的影响。计算结果表明:与无预扭约束叶冠相比,增加预扭约束后叶冠应力分布情况发生明显变化,大应力位置集中在预扭工作面与非工作面夹角位置,应力主要与离心力载荷和预扭约束有关。在离心力载荷作用下,叶冠有绕叶身进气侧旋转的位移运动;增加预扭约束后,抑制了叶冠的旋转,导致叶冠在夹角位置产生了附加应力;在叶冠夹角位置的应力由离心载荷产生的应力、预扭约束产生的应力与附加应力共同组成,为降低叶冠夹角位置的应力水平,需对叶冠厚度进行改进。     

基于CFD DEM微细带肋内冷通道中颗粒沉积特性比较研究

航空发动机全天候全域长航时运行时,颗粒随着二次流空气系统进入到涡轮叶片内部,沉积堵塞在涡轮叶片内冷通道中,严重影响了涡轮叶片的冷却性能。本文采用计算流体力学和离散单元法(CFD-DEM)相结合的方法研究了涡轮叶片带肋细小矩形内冷通道中微尘颗粒的流动和沉积特性。所研究的内冷通道肋片周期性布置在通道的一侧,肋片阻塞比和肋间距比分别为0.024和10,考虑了平行直肋、45°斜肋和45°V肋3种肋结构,详细分析了雷诺数、颗粒斯托克斯数、入口颗粒体积分数和肋片的类型对颗粒流动和沉积特性的影响规律。结果表明：颗粒沉积主要发生在第1根肋片的前缘处;颗粒的沉积质量均随着雷诺数、斯托克斯数和颗粒体积分数增加而减小;在所有的肋片类型中,直肋布置时颗粒沉积现象最明显,其次是V肋,斜肋拥有最小的颗粒沉积质量。     

具有新型双层壁结构的透平叶片流热耦合研究

多通道壁面射流冷却结构是一种新型的燃气透平动叶内部冷却结构,具有消耗冷气少、压力损失小等优点。本文构建了简化的壁面射流冷却叶片与GE-E3冷却结构叶片模型,采用流热耦合方法对比研究了其流动与换热特性。结果表明,壁面射流冷却通道内的狭小空间抑制了横流的产生,冷气在冷却通道中形成了流向涡;前缘冷气流道中的大量冷气流经吸力侧冷却区,并从出口压力更小、面积更大的尾缘排出,使得前缘气膜孔出流的冷气流量和动量较小,冷气在叶片外表面的气膜覆盖特性更好;离心力的影响导致前缘冷气流道中叶根处的压力较低,叶根附近的气膜孔出现燃气主流入侵现象。相比于GE-E3叶片,壁面射流冷却叶片的前缘温度和温度梯度都较小,因此多通道壁面射流冷却在前缘具有更优异的冷却特性。     

双层涡轮叶片应力计算与分析

为了对可倒车燃气轮机中双层涡轮叶片应力进行分析,以双层涡轮叶片为研究对象进行反转状态下叶片的换热分析,并基于ANSYS Workbench软件在正车额定工况及倒车额定工况下完成了双层涡轮叶片的应力计算。结果表明：叶片在反转状态下会不断与周围空气产生摩擦,使得叶片温度大幅升高,降低了叶片应力;对叶片采取冷却措施后,双层涡轮叶片的大应力位置主要位于过渡段,通过随形加强筋及空心倒车叶片的优化方案,可使得正车额定工况下的叶片强度储备系数由1.1增加至1.65,满足了叶片强度设计要求。     

船用燃气轮机低压盘腔系统流动特性研究

为了充分理解与掌握实际工程中盘腔多腔室流动特性,以实际船用燃气轮机低压盘腔系统为研究对象,基于ANSYS CFX软件,采用SST k-ω湍流模型开展数值模拟,对比分析了船用燃气轮机低压盘腔系统在不同工况下的流动特性。研究表明：在各支路流量分配中,随着雷诺数增加,接受孔流量先波动后持续增大,平衡孔流量逐渐减小;在气体预旋比分布中,对于腔体C3,C4,C5,随着雷诺数增加,气体预旋比逐渐减小;对于涡系结构,C4和C5盘腔涡系结构基本保持稳定;预旋喷嘴出口和接受孔进口之间的总压差随着雷诺数增加呈现指数增长趋势,总温差随着雷诺数增加先增大后减小。     

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。