涡轮叶片尾缘偏劈缝结构二维模型的冷却研究

对叶片尾缘偏劈缝冷却结构的流动与换热进行了二维的数值模拟,研究了涡轮叶片尾缘无量纲长度L／H(即尾缘长度与冷气流出口的高度比)、偏劈缝喷射角a、吹风比M及Reynolds数(RP)对涡轮叶片尾缘平均冷却效果的影响。     

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%。     

旋转状态平板收敛缝形气膜孔改善 冷却效果的数值研究

数值研究了旋转状态下收敛缝形气膜孔结构的冷却特性，并与圆形孔对比，得到收敛缝形气膜孔具有改善气膜冷却效果的特性。结果表明：旋转条件下，气膜的偏移使得展向冷气覆盖的区域增大，收敛缝形气膜孔的展向冷却有效范围明显优于圆形孔，同时对主流的穿透率较低，说明旋转时收敛缝形气膜孔的贴壁性依然较好；各种转速条件下，圆形孔的气膜在大吹风比工况呈现脱离壁面的特点，而收敛缝形气膜孔可以更好地形成气膜保护壁面，从而增强冷却效果；研究范围内，随着吹风比的增加，收敛缝形气膜孔的优势越加明显，虽然气膜孔出口处出现冷却效率稍低的现象，但在冷却范围、冷却效率以及冷却均匀性等方面均优于圆形孔，从而可起到改善冷却效果的作用。     

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。     

不同气膜孔型在平板及叶片上的冷却效果研究

在燃气轮机透平叶片冷却设计中,气膜冷却是一种高效的冷却方式,能保护叶片表面不受高温燃气侵蚀。成型孔是目前广泛应用的气膜孔型。为研究孔型结构对冷却效率的影响作用,展开了数值计算。首先通过数值模拟方法研究了平板上4种不同结构的成型孔在吹风比为1.5～2.5工况下的流动换热规律,发现一种收敛缝型孔具有冷气覆盖面广、冷却效率高的特点。将带展向11°扩张角、流向10°扩张角的成型孔与收敛缝型孔布置在叶片上,进一步展开数值计算,发现在前者的气膜孔排布置下,冷却气分布更加均匀,冷气消耗量少,仅为收敛缝型孔的37%,更符合冷却叶片设计原则。     

涡轮叶片尾缘气膜冷却耦合传热的数值模拟

采用耦合方法对燃气轮机涡轮叶片尾缘气膜冷却流场进行数值模拟,并与绝热方法下的结果进行对比,得到不同吹风比和不同吸力面厚度下的气膜冷却规律。结果表明:与绝热方法相比,采用耦合方法时气膜冷却效率曲线更平缓,吸力面温度分布均匀,压力面尾部上方区域温度梯度较大;增大吹风比可以减弱吸力面导热对气膜冷却效率的影响,且能有效抑制流体与壁面的分离;随着吸力面厚度的增加,0.6～0.76等温度比线区域内流体温度发生变化,在劈缝出口下游温度升高,在下游的远距离处温度降低。     

扇形孔出口宽度对气膜冷却效率影响

数值模拟了不同出口宽度的扇形孔射流在不同吹风比下的气膜冷却效率,侧重于分析涡流结构和涡量对冷却效率的影响。结果表明,出口宽度增大不但减小了涡量,还改变了涡流方向。出口宽度增大到2.5倍入口直径时,孔中心下游冷气流线由燃气指向壁面,有效改进冷气贴附性。气膜孔出口宽度越大,冷却效率越大。随着吹风比的增加,气膜孔出口宽度对冷却效率影响越明显。     

流向涡对扇形孔气膜冷却效果影响的实验研究

在平板气膜实验台上安装涡流发生器(VG)来模拟叶栅中的流向涡,利用红外相机测量吹风比M=0.5～2.5时的气膜冷却效率和传热系数,分析二次流对扇形孔气膜冷却效果的影响.结果 表明:流向涡增强了主流与气膜射流的掺混,导致气膜绝热冷却效率明显下降以及覆盖面积减小,气膜面平均冷却效率最高降低了63％;当吹风比达到2.5时,流向涡能抑制扇形孔射流在高吹风比时的吹离趋势,抵消了部分主流与冷气掺混导致的气膜横向平均冷却效率降低的影响;流向涡使气膜与壁面的横向传热系数比增大了3.5％,壁面的热通量比最高上升了20％,在低吹风比时气膜失去了对壁面的保护作用.     

叶片不同孔排位置异形孔气膜冷却改进对比试验研究

为了探究多种异形孔在叶片上不同位置对气膜冷却改进效果的影响,通过红外测温技术对圆柱孔、水滴孔、圆锥孔和燕尾孔的气膜冷却效率进行了试验研究。结果表明：与圆柱孔相比较,位于压力面尾缘处的水滴孔增加了气膜覆盖长度,减小了气膜冷却效率沿着流向的衰减,3种吹风比(1.0,1.5和2.0)下气膜冷却效率增幅为45%～78%;位于压力面前缘处的圆锥孔增加了气膜在展向的覆盖宽度,对气膜覆盖长度的改善并不理想,吹风比越大气膜冷却效率提升越大,3种吹风比下气膜冷却效率增幅为37.9%～96.4%;位于吸力面鳃区的燕尾孔对气膜冷却效率的改进效果最明显,吹风比增大气膜的覆盖长度增加,3种吹风比下气膜冷却效率增幅为102.2%～302.2%。     

几何结构对后台阶三维缝隙换热影响的研究

针对涡轮叶片尾缘冷却结构特点,建立了后台阶三维缝隙结构气膜冷却特性试验台;测量了缝隙中心和肋中心下游气膜换热系数的局部分布;研究了不同几何结构参数对换热系数的影响规律,其中缝宽/肋宽比b1/b2的变化参数是0.67、1.0及1.5,缝高/唇厚比H/d的变化参数是0.5、1.0及2.0。试验结果表明:缝后中心线与肋后中心线的换热系数随轴向距离的增加其总的趋势都是减小;换热系数随着缝高/唇厚比的减小,曲线变得比较平缓;换热系数在不同的缝宽/肋宽比时,曲线基本整体地上下移动,但吹风比不同Bc不同时,曲线移动幅度区别较大。     

异型孔阵对气膜冷却效果的数值研究

对不同孔型在不同的吹风比下的冷却效率进行数值模拟,计算结果表明:收缩进气可以强化孔内的对流传热;扩张出气可以使冷气出口的速度降低,气膜覆盖面更广,提高气膜的覆盖效果。在小吹风比下,孔内的对流传热在总的冷却效果中占主导地位,此时缩扩孔的冷却效果最好,而随着吹风比的增大,气膜覆盖所起的作用在增大,当吹风比增大到一定程度时,扩张孔的冷却效果将具有更好的表现。     

长径比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、2.0的情况下,数值研究了长径比(L/D=2、4、8和10)对缩放槽缝孔气膜冷却效果的影响,对不同长径比气膜冷却整体效果进行了对比分析。结果表明:在任何吹风比下,缩放槽缝孔的冷却效率都随着孔长与孔径比的增大而增大,特别是在长径比由2变为4时,冷却效率有大幅度的提高,当L/D8时,增加的幅度趋缓;对于同一长径比,孔与孔之间沿展向的冷却效率均有不同程度的增加,小吹风比时增加的幅度小,随着吹风比的增大,冷却效率增加的幅度也随之增大;在短孔的气膜孔下方生成了强度较强和尺度较大的反向涡旋对,在长孔的气膜孔下方所生成的反向涡旋对与短孔相比尺度较小、强度较弱,冷气流动的分离现象消失,流动较规则,冷却效率较高。     

后台阶三维缝隙冷却效率的数值模拟

针对涡轮叶片尾缘冷却结构特点,建立了后台阶三维缝隙结构气膜冷却特性计算模型,计算了冷却效率在出口壁面的分布,研究了不同雷诺数(5 000~15 000)与吹风比(0.5~2.0)影响,计算结果表明:在缝后壁面冷却效率是单调递减的,而肋后冷却效率是先增大后减少的分布规律;二次流出口壁面冷却效率受吹风比影响较大,冷却效率随吹风比增大而减小;壁面缝后冷却效率受雷诺数的影响较小。     

利用新型孔改善气膜冷却效果的数值研究

在不同吹风比下,对新型缩放槽缝孔和新型月牙孔气膜冷却结构的流动过程和气膜冷却效率进行了数值研究,并与常规圆柱孔进行了对比,以揭示新型孔改善气膜冷却效果的机理.在所研究吹风比的范围内,两种新型孔的冷却效果都好于圆柱孔,且其冷却效率曲线上移的幅度与吹风比成正比关系.高吹风比时,缩放槽缝孔在气膜孔下游中心线x方向上的冷却效率...     

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。     

叶片尾缘冷气喷射气动与传热性能分析

基于尺度自适应(Scale Adaptive Simulation,SAS)湍流模型,对叶片尾缘偏开缝射流尾迹结构、尾迹掺混损失和壁面冷却有效度在不同射流/主流速度比(VR)条件下的变化规律进行数值模拟研究。结果表明:VR为1.0时冷气对尾缘壁面的冷却效果总体较好;上、下板尾缘脱落涡的主导结构均为卡门涡,随着VR的增大,其脱落频率与旋涡强度增大,导致涡量和剪切应力升高,而尾迹掺混损失由湍流脉动能量和板后回流区长度共同决定;VR为0.5和1.0时尾迹掺混损失相差不大,VR为1.5时相比0.5时增大了4.53%。     

复合角双射流气膜冷却的研究

采用数值模拟方法,研究了不同吹风比下孔排间距对复合角双射流气膜冷却特性的影响。结果表明,较小的孔排间距形成的反肾形涡为上下结构且不对称,冷却效果提高有限;而较大的孔排间距有利于形成左右对称的反肾形涡,能够在下游形成大面积的展向冷气覆盖,同时射流更好地贴附于壁面,大大提高了冷却效率;并将该结构应用到某重型燃气轮机静叶上,取得了良好的冷却效果。     

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.     

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.     

透平静叶表面多排孔气膜冷却特性试验研究

为研究燃气轮机透平静叶表面的气膜冷却特性,搭建了平面叶栅气膜冷却试验台,采用红外成像技术测量了带有多排扇形气膜孔的透平静叶表面气膜冷却有效度和传热系数,分析了不同吹风比下静叶压力面和吸力面不同孔排下游气膜冷却有效度和传热系数的分布规律.结果 表明:随着吹风比的增大,静叶压力面各排孔后气膜冷却有效度增大,静叶吸力面孔排1下游气膜冷却有效度减小,吸力面孔排2和吸力面孔排3下游气膜冷却有效度先增大后减小,吸力面孔排4下游气膜冷却有效度增大;大吹风比时,气膜出流使得静叶表面大部分区域展向平均传热系数相比无气膜时小幅增大.