燃气轮机透平叶片传热和冷却研究：内部冷却

随着燃气轮机透平进口温度的不断提高,其换热与冷却问题已然成为现代高性能燃气轮机研发中亟待解决的核心关键技术之一.透平叶片的冷却可以分为内部冷却和外部冷却,结合作者近年的研究工作,详细综述了燃气轮机透平叶片内部换热与冷却问题的研究现状与进展,着重介绍了叶片内部蛇形通道冷却、叶片内部冲击冷却和前缘的旋流冷却及尾缘柱肋冷却,指出了它们各自在相关方面需要进一步开展的工作.其中：在蛇形通道冷却方面,需要进一步研究旋转状态下蛇形通道内流动与换热特性、发展高性能的扰流装置及通道弯头结构、设计新颖高效的叶顶内部冷却结构、获得带气膜孔或冲击孔的蛇形通道内的换热与冷却特性;在叶片前缘内部冲击冷却方面,需要研究不同曲率面上的冲击冷却换热特性、旋转条件下的冲击冷却以及冲击气膜复合冷却特性;在旋流冷却方面,需要对其结构参数的影响开展进一步的广泛研究,并开展旋转状态下旋流冷却特性的研究;在尾缘柱肋冷却方面,需要进一步研究复杂流场下柱肋阵列通道中的流动换热与众敏感因子之间的关系.     

透平叶顶气膜冷却效果数值研究

采用三维数值模拟方法,研究了GE E3发动机第一级透平动叶叶顶间隙内的气膜流动与换热特性,评估了气膜吹风比M分别为0.5、1.0和1.5时,对叶顶换热系数以及冷却效率的影响.计算结果表明:叶顶气膜冷却空气改变了叶顶泄漏流动特性,随着吹风比的增加,叶顶间隙内的泄漏流动区域不断缩小,从而导致叶顶间隙泄漏量不断减小;随着气膜冷却吹风比的增大,叶顶平均换热系数逐步降低;在M=1时,冷却效果最佳.     

内部结构对空冷叶片换热性能的影响

为了深入了解空冷透平动叶的冷却机理和冷气流动特性,时某型燃气轮机透平动叶进行了气-热耦合数值模拟.结果表明,叶片端部气膜孔可以促进冷气在蛇形通道中的流动,改善冷却效果;涡流矩阵通道中子通道的宽度与高度比减小会加大涡流矩阵通道中的流动阻力,冷气在涡流矩阵通道中能得到更充分的利用,而对尾缘的冷却能力会下降,致使尾缘温度升高,因此其高宽比与冷气进口条件存在一个最佳组合关系;涡流矩阵通道结构与叶尖之间的间隙会降低冷气的利用率.     

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。     

燃气透平叶片尾缘内部冷却通道流动与换热特性研究

针对更为接近于真实叶片尾缘段的楔形内部冷却通道的流动与换热特性开展了数值研究,分析了不同冷却工质应用在楔形冷却通道中的性能表现以及不同扰流柱结构、柱肋组合冷却结构对尾缘内部冷却通道中的热力特性的影响.研究表明:区别于矩形内部冷却通道,楔形通道中壁面传热系数沿流动方向呈现逐渐升高的趋势;冷却工质对换热性能影响明显,蒸汽的...     

不同叶顶结构对燃气透平动叶顶部气膜冷却性能的影响

对不同叶顶结构的GE-E3叶片的气膜冷却现象进行了数值研究,比较了三种不同的叶顶结构：平顶、凹槽顶和平顶开槽孔结构在叶顶部的流动和冷却现象,并分析了吹风比对这三种结构的冷却性能的影响。发现凹槽顶和平顶开槽孔在结构上具有相似性;在叶顶开槽后,既降低了射流动量,又降低了顶端泄漏流速,有助于提高冷却效果,同时由于凹槽顶的槽比开槽孔的槽大,冷却气体和燃气在槽内充分混合,使得凹槽顶结构具有最高的冷却效率值和最低的换热系数值,平顶开槽孔结构次之。     

涡轮第二级导叶冷却结构设计研究

以某涡轮第二级导叶为研究对象,结合参数化特征建模技术研究设计冷却结构,并进行气热耦合分析,研究结果表明:低压导叶外部各截面上的温度分布均匀,尤其是在冲击冷却的部位,温度明显低于尾缘区域,而且冲击冷却在压力面上的冷却效果要好于吸力面,冷却效果理想.低压导叶内部温度梯度较大,整个叶片内壁面由冲击射流和横向流动作用使得冷却充分均匀.     

低稠度涡轮导向叶片端壁高效气膜冷却特性研究

采用低稠度涡轮导向叶片设计方案，可减少导向叶片的用量，减轻涡轮重量，降低发动机冷气用量及耗油率，但同时也带来导向叶片端壁冷却负荷增大等问题。依据低稠度涡轮导向叶片端壁的结构与流动换热特点，制定了槽缝和气膜孔共同冷却的方案。通过数值模拟和分析，重点研究了低稠度涡轮导向叶片端壁前缘气膜孔在不同方向角、孔数、孔径以及叶栅通道中气膜孔布置等条件下的流动及冷却特性。研究结果表明：对低稠度涡轮导向叶片端壁前缘气膜孔进行优化设计，可以有效克服导向叶片端壁前缘高强度马蹄涡对于气膜冷却效果的不良影响；在叶栅通道内合理设置气膜孔，可以改善通道内复杂涡旋对端壁气膜的卷吸作用，提高气膜冷却效果；当槽缝和气膜孔中的冷气流量比分别为3%和2%、气膜孔方向角为45°、气膜孔直径为1.25 mm、叶片前缘和叶栅通道气膜孔数分别为8和1时，叶片端壁表面被冷气膜全部覆盖，此时端壁面平均气膜冷却效率相对最高，达到53.7%。     

带沟槽涡轮叶片颗粒沉积特性和气膜冷却性能研究

为探究带沟槽叶片的颗粒沉积特性以及气膜冷却性能,以某型高压涡轮含有尾缘劈缝结构的涡轮叶片为原型,针对实际工况建立沉积模型,采用数值模拟方法研究了0<M≤2不同吹风比下沟槽结构对叶片表面颗粒沉积特性和叶片表面气膜冷却性能的影响规律。结果表明：沟槽结构提高了总碰撞效率,降低了总沉积效率,颗粒易沉积于气膜孔下游以外区域以及端壁两侧,沟槽导致压力面中后部颗粒沉积的区域增大;随着吹风比的增加,沟槽内部捕获效率提高,整体颗粒捕获效率降低,沟槽内部的气膜冷却性能不断下降,但沟槽下游部分区域的气膜冷却性能优于原始结构;沟槽的存在使下游附近沿展向的气膜覆盖区域变大,冷却性能提升,沿孔流向的展向平均气膜冷却效率最高可提升18%。     

10kW向心透平内二次流形成机理与损失分析

为有效改善和提升有机工质向心透平的效率和性能,对10 kW向心透平进行热力设计和模拟计算,分析了静叶栅和动叶轮内部各种涡系的形成机理和表现形式,给出了静叶栅不同截面静压利用系数的分布以及动叶内部截面的总压分布。结果表明：静叶栅内存在压力面到吸力面的横向流动,在前缘和尾缘分别存在马蹄涡和尾迹涡,但并未捕捉到通道涡,马蹄涡的压力面分支会在1/2弦长位置到达吸力面;动叶轮中的涡系主要由前缘压力涡、通道涡以及泄漏涡组成,在动叶前缘压力侧轮毂面形成的涡与端部发展起来的通道涡相互交汇,加剧了此处的流动损失;0.6倍动叶叶高截面的流动状况最佳,由于动叶顶部泄漏涡与通道涡的相互掺混,使叶顶附近截面的流线分布较为复杂。     

带扰流片的矩形通道的实验研究

以高温透平叶片冷却为应用背景，对带有顺排、错排扰流片的矩形通道进行了实验研究。实验结果表明：在相同的雷诺数下，错排扰流片比顺排扰流片具有更好的强化换热效果，即便保持相同的流动阻力，错排扰流片的冷却效果仍强于顺排扰流片。     

内部通道肋片结构对Mark Ⅱ叶片冷却性能影响的降维模型研究

一维冷却通道气热耦合计算是分层涡轮叶片冷却结构设计的重要方法。发展了以管道网络算法为核心的内部冷却特性计算程序,并与三维传热计算进行了耦合。通过与MarkⅡ叶片特定实验工况下的结果进行对比,验证了方法的有效性。此外,进一步将带肋结构流道传热特性相关经验公式集总在一维气热耦合算法中,分析了带肋通道改型的MarkⅡ叶片冷却性能。结果显示,带肋结构相比光滑流道能显著提升换热性能,在中径截面处较原方案温度下降15～30 K。     

有扰流片的矩形通道内空气流动和传热过程的数值模拟

以高温透叶片尾部区内部冷却为应用背景，对带顺排、错排扰流片肋的通道内空气流动和传热过程进行了数值模拟。计算结果表明，在相同雷诺数下，错排扰流片的阻力系数比针肋和顺排绕流片的阻力因子均增大约2%，而冷却能力分别增大约50%和9%。     

Conjugate heat transfer analysis of a rotor blade with coolant channels

The present study deals with the conjugate heat transfer analysis of a cooled high-pressure turbine rotor blade consisting of eight cooling channels. Computational investigations are performed in a five-bladed cascade to determine characteristics of flow and heat transfer at different values of mainstream and coolant flow rate. Surface temperature measurements using infrared thermography are performed for validating the computational fluid dynamics results. The results show nonuniform variation of surface effectiveness: (a) higher average surface temperature on the pressure side than on the suction side, (b) peak surface temperature at the pressure side trailing edge region, (c) lowest temperature at midspan region of both pressure and suction sides, (d) intermediate values of temperature on the leading edge, and (e) these temperature patterns vary with the changes in mainstream Reynolds number and coolant flow rates, signifying the importance of carrying out conjugate heat transfer analysis. This study also emphasizes the importance of considering realistic coolant channel geometry over the idealized, an illustration showed that the maximum Nusselt number may vary up to 200% due to idealization.     

燃气轮机透平叶片传热和冷却研究：气膜冷却

气膜冷却作为燃气轮机透平叶片通流部分外部冷却的一种主流技术,经过多年来的研究改进,已在工程应用实践中得到了很好的发展.总结近年来燃气透平叶片气膜冷却的相关研究进展,重点介绍了一些新型气膜冷却结构的研究情况,基于当前研究热点和发展趋势,结合作者在这方面的研究经历,指出了气膜冷却研究及其应用的发展方向.鉴于新型气膜孔、组合气膜孔以及涡发生器与气膜孔的组合在气膜冷却性能方面具有较大优势,未来将深入研究其在实际透平中的应用问题.     

Conjugate heat transfer investigation on the cooling performance of air cooled turbine blade with thermal barrier coating

A hot wind tunnel of annular cascade test rig is established for measuring temperature distribution on a real gas turbine blade surface with infrared camera. Besides, conjugate heat transfer numerical simulation is performed to obtain cooling efficiency distribution on both blade substrate surface and coating surface for comparison. The effect of thermal barrier coating on the overall cooling performance for blades is compared under varied mass flow rate of coolant, and spatial difference is also discussed. Results indicate that the cooling efficiency in the leading edge and trailing edge areas of the blade is the lowest. The cooling performance is not only influenced by the internal cooling structures layout inside the blade but also by the flow condition of the mainstream in the external cascade path. Thermal barrier effects of the coating vary at different regions of the blade surface, where higher internal cooling performance exists, more effective the thermal barrier will be, which means the thermal protection effect of coatings is remarkable in these regions. At the designed mass flow ratio condition, the cooling efficiency on the pressure side varies by 0.13 for the coating surface and substrate surface, while this value is 0.09 on the suction side.     

带有冷气掺混的三级透平气动性能数值研究

借助NUMECA数值仿真软件,以某型燃气轮机的三级透平作为计算模型,对其在冷却气体掺混前后的流场进行了数值模拟。考虑到工质物性的影响,采用了变比热高温燃气作为计算工质。同时,针对燃气轮机透平进口的变工况问题,选取不同的透平进口总压值进行数值计算。结果表明,冷却气体的加入使得级损失增大,每列叶片流道出口速度或相对速度减小,下游叶片进口气流角减小;在三级透平冷气掺混时改变进口总压值,每列叶片流道的进口气流角几乎不变,除第三级动叶的激波损失与尾迹损失增大外,其余叶片流道的能量损失变化不明显。     

燃气轮机叶片内部扰流肋冷却方式研究进展

随着燃气透平转子进口温度的不断提高,燃气轮机叶片冷却日益重要。带有扰流肋的内部通道冷却是叶片冷却的一个重要部分。综述了内部扰流肋冷却的研究历程与研究现状,详细论述了静止状态下带肋内部通道的换热研究、旋转对带肋通道内换热的影响研究以及扰流肋与其他方式相结合的复合冷却研究。结论指出,在国内外静止状态下带肋通道内的换热研究已经很成熟,旋转对通道内流动与换热的影响是最近几年来的研究热点,而关于旋转状态下复合冷却方式的研究相对较少。优化旋转状态下内部肋结构和将内部扰流肋与其他冷却方式相结合的研究是今后的发展方向。