透平叶片的气动优化设计系统

发展了一个叶轮机械叶片全三维粘性杂交问题的气动优化设计系统。该系统包括分析技术与组合优化技术的耦合：前者基于高精度、鲁棒型的数值分析方法，已成功地用于蒸汽透平叶片的流动分析．并经详细考核已将其纳入到了实际的叶片气动设计体系；后者基于优秀的iSIGHT商用优化平台．通过对多种优化方法的集成从而发展了组合的叶片全三维气动优化策略。数值结果与试验数据的比较表明了这一气动优化设计系统真正纳入到工业设计体系是完全可能的。     

透平叶片表面单排孔气膜冷却效率试验研究

采用稳态红外法试验测量了透平叶片压力面和吸力面气膜孔后冷却效率的分布,分析了吹风比对叶片表面不同位置处单排孔后气膜冷却效率的影响规律,结果发现:吸力面孔排1下游气膜冷却效率随吹风比的增加而降低;孔排2出口附近气膜冷却效率随吹风比的增加先增加后减小,远离孔下游区域的气膜冷却效率随吹风比的增加而增加。压力面孔排1出口附近气膜冷却效率随吹风比的增加而减小,远离孔下游区域的气膜冷却效率随吹风比的增加而增加;孔排2下游气膜冷却效率随吹风比的增加而增加。研究成果可为燃气轮机透平叶片气膜冷却结构设计和冷却空气流量的选取提供参考。     

基于热流固耦合分析的重型燃气轮机透平高压叶片寿命研究

先进高效的重型燃气轮机透平高压叶片工作在高温、高压、高转速的严苛环境中,为了评估其安全可靠性,本文基于三维稳态粘性Navier-Stokes方程,考虑气动与热物理场的耦合,运用共轭计算技术和SST湍流模型建立了具有完整内外冷却结构的某燃气轮机高压透平叶片热流固耦合分析模型和寿命分析模型,获得了叶片温度分布及相应的应变应力场,并详细分析了叶片上热障涂层和金属基底的寿命状况。研究结果对理解和掌握先进的燃气轮机透平叶片设计技术具有重要参考意义。     

透平叶片几种减振结构的阻尼特性试验研究

提出了一种叶片减振结构阻尼的测量和分析计算方法。对设计的4种减振结构的阻尼特性进行了实验研究和分析，表明：减振阻尼结构能有效增加透平叶片的阻尼。减振结构的阻尼与结构的几何形状有关，与结构之间的相对间隙有关。随着相对间隙从零增加至足够大的过程中，减振结构的阻尼性质和阻尼的大小都发生了较大变化。当相对间隙处在特定范围内时，阻尼系数达到极大值．碰撞减振结构使叶片的振动形态复杂化。引起叶片的拍振现象。图5参8     

基于冲蚀耦合的透平叶片自振频率修正模型

基于叶片质量冲蚀率正比于颗粒累积质量这样的试验规律,本文提出了冲蚀环境下透平叶片弯曲自振频率计算的修正模型,将叶片冲蚀问题与叶片强度问题进行耦合。对某PFBC燃气轮机双级跨音速透平分别用5～50μm的石英砂和催化剂颗粒(颗粒相浓度分别为9 03×10-5%和4 19×10-5%)冲蚀数值模拟后,由该修正模型对透平叶片自振频率的变化进行了估算,结果表明,考虑了叶片冲蚀现象后,叶片自振频率随时间提高,提高幅度依叶片流道内颗粒浓度、颗粒材质的重度而异。这一模型为预报叶片安全状况提供了更有效的手段,有益于提高气固两相透平叶片安全监测的可靠程度。     

凹坑深度对透平叶片前缘换热的影响

涡轮叶片前缘由于受到燃气的冲击,热负荷较高,其冷却和换热情况极大的影响了燃机的性能,因此是涡轮叶片上最关键的传热区,在对涡轮进行传热设计和计算时必须对该区域予以考虑。设计冲击靶面,对凹坑结构进行冲击,建立模型,通过数值计算分析其冷却效果。通过对凹坑的温度场进行对比分析,给出凹坑深度的变化对冲击靶面换热的影响。对于带凹坑结构,通过凹坑深度分析叶片前缘换热效果,当凹坑深度不太大时,凹坑深度的增加会增强冲击靶面的换热;当凹坑深度增加得较大时,则会明显降低冲击靶面的换热。     

燃气轮机透平叶片国产化需解决的关键技术问题

透平叶片是重型燃气轮机的核心部件,实现透平叶片的国产化有着巨大的社会效益和经济效益。但由于历史原因,我国尚未掌握透平叶片的设计和制造技术。本文探讨了透平叶片国产化过程中所需解决的若干关键技术问题,涉及到逆向工程设计,包括:高温合金及涂层等基础材料;气动、传热、结构、强度等多学科交叉分析和优化;精密铸造、特种加工、涂层制备等多种精密加工工艺。研究表明,要实现透平叶片的国产化,需要通过严谨的逆向工程设计才能降低国产化过程中的技术风险,更需要国内在材料—设计—制造—试验等各个环节的企事业单位和科研院所共同合作。     

燃气轮机透平叶片的外表面传热特性分析

针对叶片表面换热问题,以某型燃气轮机透平叶片为研究对象,使用CFX软件的k-ω湍流模型研究了温差、湍流强度和端壁对叶片外表面换热特性的影响。结果表明,叶片表面与主流的温差对叶片表面的换热分布影响较小,在吸力面的湍流区有些许影响。叶片外表面传热系数受湍流度的影响相对而言不大,其自身变化比较剧烈。叶片的端壁由于马蹄涡卷吸作用,前缘区、吸力面及叶片尾流区换热强度较大,吸力面上在轴向距离0.3附近,表面开始受马蹄涡的影响,最大换热值出现在叶片尾缘近端壁处。研究成果可为透平叶片表面换热的研究提供参考。     

燃气透平叶片冲蚀的数值模拟与试验研究的发展

综述了近年来燃气透平叶片冲蚀数值模拟与试验研究的进展情况,包括气固两相流场模型与求解方法的发展以及最新的试验成果,指出存在的问题及今后研究方向,文中内容对于进一步研究,进而控制冲蚀这一直接影响燃气透平叶片寿命乃至安全性的工程问题,具有参考价值。     

载荷变化对燃气轮机透平叶片损伤影响的研究

运用有限元分析方法对燃气轮机透平叶片的蠕变与低周疲劳进行分析。在三维热模型中获取热边界条件后,开展燃气轮机正常启停工况下针对不同载荷(即离心力、气动和热载)的低周疲劳损伤分析。同时,进行了150 000 h的蠕变损伤分析,结合2种典型运行方式对蠕变损伤与疲劳损伤线性累积的总损伤进行了分析。结果表明,热载荷对蠕变损伤的影响最为显著,而离心力的变化对低周疲劳损伤的影响最为显著。对叶片总损伤的考核,需要与运行模式相结合。在长期稳定运行模式下,热载荷的变化对叶片的总损伤有显著影响。在频繁启停运行模式下,离心力载荷的变化对叶片的总损伤有显著影响。该研究为透平叶片设计提供了理论依据,并揭示了不同载荷对叶片总体寿命损伤的影响。     

蒸汽透平高压级扭叶片的气动优化设计

提出了一种实现截面局部扭转、控制喉部面积的扭叶片参数化造型方法.用控制喉部面积替代流量约束,对某蒸汽透平高压级动叶进行了气动优化设计;另一方面以流量差异和气动效率为目标函数,采用非支配排序遗传算法(NSGA-II)进行了多目标并行优化设计.两种方法的结果吻合较好.结果表明,本文的优化方法是有效的,扭积叠造型有助于提高蒸汽透平高压级的气动效率.     

透平叶片在流-热-固耦合场下的变形研究

透平叶片在复杂耦合场下工作会产生形变,与设计流道曲面产生偏差,严重影响涡轮机的工作效率。基于流-热-固耦合有限元模型对复杂工况下叶片的变形进行了研究。采用RNGk-e湍流模型经FLUENT流场仿真实现叶片的三维温度场和压力场模拟,利用ANSYS分析得到叶片在温度、压力、离心力单独作用和耦合作用下对应的变形量,并运用灰色关联度理论分析变形之间的关系。通过分析发现,耦合场下的叶片变形并不是各载荷单独作用下变形的线性叠加,而是复杂地耦合;温度是影响叶片变形的优势子因素,压力和离心力的影响较小。分析结果对叶片形变控制策略、补偿及重构都具有重大指导价值。     

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.     

透平叶片试验模态分析中的离散建模方法研究

在试验模态分析过程中,离散建模方法的不同对模态分析结果的准确性产生重要的影响.对某一透平弯扭叶片,根据模态理论构建模态分析试验台,通过对比实验,从振型的真实性、振型的可分辨性、测试误差大小以及测试时间方面综合研究离散建模方法对试验模态分析结果的影响.结果表明,所建立的模型越接近真实叶片的形状,其模态振型越逼真,但是对各振型频率的数值影响不大;选择合理的离散网格数目能在保证振型的可分辨性的基础上减少测试误差.研究的结论为透平叶片试验模态分析过程中的测试模型和离散网格数目的确定提供了指导.     

基于流体网络法的透平叶片冷却内通道网络模型与分析

采用流体网络法研究分析了某E3发动机高压涡轮动叶的冷却结构,通过合理简化,并选用合适的元件模型,构建了冷却流路的流体网络;对高压涡轮流场进行了三维数值计算,确定了叶片冷却流路流体网络计算所需的边界条件;根据实验关联式,确定损失、传热等相关系数,并根据冷却结构特点自定义了部分特性曲线。将流体网络计算结果与NASA文献中的数据进行了比较,表明本文方法能较好地预测各流路的流量、温度、压力等参数,能够用于叶片冷却结构的性能分析以及叶片冷却结构的初步设计。     

透平短叶片级S_2流面计算结果分析——叶片槽道内环量分布和叶片倾斜的影响

本文利用中国科学院工程热物理所和哈尔滨汽轮机厂共同研究开发的汽轮机实用 S_2流面反问题计算程序.对哈汽厂某大型汽轮机的调节级进行了计算,分析了静叶槽道内的环量分布规律和静叶采用复合倾斜叶片的影响。计算结果和文献中用单列叶栅无粘全三元势函数程序的计算结果进行了对比。     

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.     

透平叶片内部结构的低周疲劳寿命优化设计

透平叶片是燃气轮机寿命设计的关键部件,其内部复杂的冷却结构直接影响甚至制约透平叶片的低周疲劳寿命。为此,针对某型燃气轮机透平静叶中的内部扰流结构,基于整体模型的分析结果,应用子模型方法构建局部分析模型,通过对比边界路径上的应力结果确定用于优化设计的基准模型方案,最后分析了3种不同倒圆半径方案的应力和低周疲劳寿命,并与初始方案结果进行对比,结果表明随着扰流柱倒圆半径的增大,应力水平明显降低,低周疲劳寿命次数显著提升。同时,应用子模型方法对复杂模型的单个结构特征进行优化设计,得到的计算精度和效率比整体模型更高。研究成果能够为燃气轮机透平叶片结构设计分析提供指导。     

带粒气流对透平叶片冲蚀特性的数值分析与试验研究

基于欧拉－拉格朗日解基本思想，数值模拟了带粒双级跨音速燃气透平三元粘性湍流场，在此基础上以计入颗粒湍流扩散的颗粒随机轨道模型和PSIC法实现了气固双向耦合，跟踪和分析了10万个分布直径和石英砂、催化剂颗粒的运动轨迹及颗粒滑移程度，并计算了叶片的质量冲蚀率。结果表明：涂层后叶片的质量冲蚀率较基体可减小一个数量级。另外，分别采用石英砂和催化剂颗粒对2Cr12Mo－5基体材料和MCrAlY涂层进行了冲蚀试验，通过比较发现：在大部会冲击角下，涂层能有效地减小叶片的冲蚀；在同样的试验条件下，大石英砂颗粒造成的叶片冲蚀强于小石英砂颗粒。     

透平叶片弯、扭、掠联合造型规律及其气动性能研究

为研究静叶弯、扭、掠联合造型对流场结构的影响,以某高压透平首级叶片为研究对象,借助计算流体力学与正交优化方法,基于动静叶最佳匹配原则（即对于每种静叶构型,动叶都进行了相应的扭转规律变化,使得动静叶气动性能处于最佳匹配状态）,研究了静叶不同复合构型方式对流场结构的影响。结果表明：在合理的静叶弯曲规律下,静叶扭转改型对透平性能有较大影响,掠改型对透平性能影响有限;在一定的扭转规律下,对静叶进行掠改型对轮周效率的影响较小,仅后掠改型会提高透平的轮周效率;对弯扭掠静叶匹配扭动叶进行联合优化,得到的最佳透平的轮周效率为87.12%,与原始透平相比,轮周效率提高了2.09%。