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.     

端壁相对运动对压气机叶栅间隙流场影响的数值模拟

压气机端壁与叶片间的相对运动是影响叶顶间隙气流流动的重要因素.采用数值模拟的方法考察了端壁运动对不同叶顶间隙压气机叶栅内三维流场的影响.结果表明:端壁相对运动改变了叶栅间隙流场结构,叶栅通道内出现向相邻叶片压力面运动的刮削泄漏涡,上通道涡及叶顶分离涡受到抑制,叶尖负荷增大,间隙泄漏流量增加,叶栅总损失由于叶顶区掺混损失减少而减少.     

凹槽式叶顶流动换热的数值研究

针对叶尖间隙高度对凹槽式叶顶流动与换热的影响展开数值研究,评估4种湍流模型在叶顶换热方面的预测能力.结果表明：凹槽肩壁顶部、凹槽腔底部近前缘区域和叶顶尾缘为高换热区,凹槽腔底的中部和尾部区域为低换热区;不同湍流模型对叶尖间隙泄漏量预测差别很小,但泄漏流流动状态差异很大,这是造成不同湍流模型对叶顶换热预测存在重大差别的原因;在研究的间隙范围内,叶尖间隙泄漏量和叶顶换热强度随间隙高度的增大而增加;在所选的4种湍流模型中,k-ω模型是叶顶换热数值模拟较好的湍流模型选择.     

多工况下燃气轮机高压涡轮叶顶间隙对涡轮效率的影响

涡轮叶顶间隙影响涡轮气动特性。文中针对某型船用燃气轮机在慢车、0.35、0.50、0.85、1.00、1.05等多个工况,通过有限元计算,研究并分析了不同工况时涡轮叶顶间隙高度对涡轮效率的影响。结果发现当运行工况高于0.85工况时该燃气轮机涡轮叶片与机匣衬环发生碰磨;当工况不变时,控制高压涡轮叶顶间隙高度,发现叶顶间隙每增大0.2 mm,涡轮效率降低约0.4%左右,研究结果对主动间隙控制相关研究提供理论参考。     

叶顶间隙对压气机气动性能影响的数值研究

叶顶间隙影响着轴流式压气机性能的提高,通过三维定常数值模拟计算研究了压气机动叶顶部间隙尺寸对其总体性能、间隙流场参数以及流场损失分布的影响。研究发现:间隙尺寸增大对压气机总体性能影响显著,间隙尺寸的增大改变了动叶叶栅通道上部的流场结构,并影响该区域熵增分布,随着间隙增大该区域熵增变大,间隙较大时,该区域熵增速度加快,同时间隙尺寸的增大导致下一排静叶的进气条件恶化,使得压气机整级做功能力下降。所得结论可为压气机叶顶间隙高度控制提供理论参考。     

汽轮机动叶顶部间隙泄漏流动特性的数值模拟

以一个小展弦比轴流透平级为研究对象,采用数值方法对不同动叶顶部间隙情况下的间隙泄漏流动进行了分析,研究了间隙流和间隙涡的形成、发展及其对透平级性能的影响.以三维流线和极限流线为手段,分析了6种间隙尺寸下动叶顶部的泄漏流和泄漏涡造成的损失及其与主流掺混的过程.结果表明:动叶顶部间隙两侧压力面和吸力面之间的压力差使汽流从压力面被吸入间隙,跨过叶顶,进入相邻叶栅通道的吸力面,导致泄漏流动;与无间隙的情况相比,叶顶间隙的存在使上端壁处的流场发生明显变化,引起损失迅速增长;随着间隙的增大,泄漏涡的产生位置提前,强度增大,从而导致更大的流动损失.     

具有静止顶部间隙透平叶栅气动特性的实验研究

对具有静止顶部间隙的常规透平直叶栅和透平正弯叶栅的流道和间隙进行了测量，得到流道及间隙内的详细参数。结果表明：顶部间隙的存在对叶栅的气动性能有较大影响，使叶栅上半翼损失明显增高，叶片正弯曲减小了叶顶后的横向压力梯度，削弱了泄漏流与端壁横流及二者的相互作用，降低了叶栅的流动损失，明显改善了叶栅的出口流场。     

超微涡轮动叶栅叶顶间隙对流场影响的数值模拟

通过数值求解基于雷诺时均的三维定常粘性N-S方程,结合RNGk-ε湍流模型和非平衡壁面函数,对一种超微型向心涡轮动叶栅内的流动情况进行了数值模拟。揭示了具有极低展弦比动叶栅叶顶间隙对流场参数分布和气动损失的影响,为超微涡轮的设计和改进提供了理论依据。模拟结果表明,叶顶间隙的大小对通道内马赫数分布有重要影响,其中顶部间隙射流所引发的泄漏涡与主流的掺混是主流马赫数降低的重要原因;叶顶间隙的存在使得总压损失系数均匀化,即近壁区和主流区的总压损失都较高;动叶栅在叶展方向上的载荷分布均匀,弦向载荷主要由接近尾缘的弧段承担;模拟中还解析出三维的尾迹涡,这主要是动叶栅尾缘过厚所导致,应进行叶型改进。     

透平末级动叶顶部间隙变化对排气扩压器 气动性能的影响

文章采用数值分析方法研究了透平末级动叶顶部间隙变化对排气扩压器气动性能的影响.结果显示随着叶顶间隙相对值从0%逐渐增大至1.5%,排气扩压器进口气流角和总压逐渐增大,排气扩压器静压恢复性能先提升,然后逐渐下降.     

轮缘间隙出流对下游动叶端壁气膜冷却特性的影响

对轮缘间隙出流与主流相互作用下的动叶端壁气膜冷却特性进行了研究,通过数值求解三维RANS方程组和SST湍流模型,详细分析了冷却气流质量流量比MR和进气预旋度等气动参数对动叶端壁气膜冷却特性的影响规律.结果表明:增大MR有利于提高动叶前缘端壁区域的气膜冷却效率,但即使在较大MR工况下,动叶中后弦长端壁区域仍无法获得充足的...     

非设计工况下涡轮叶栅前缘壁角的作用

透平叶栅端区二次流具有复杂的涡系结构。Langston实验描述了两支马蹄涡和通道涡的演变和发展过程。基于Langston叶型构造出有效的前缘壁角,建立涡轮叶栅带有前缘壁角的端壁流动计算模型,分析前缘壁角对端壁流动与传热特性的影响,并评估其在非设计条件下的适应性。结果表明:在一定的非设计工况范围内,前缘壁角削弱了前缘马蹄涡和通道涡的强度,降低了流道内部的气动损失,增加了近端壁的流动损失。有效的前缘壁角使前缘附近端壁换热水平减弱,流道端壁换热整体减弱,端壁高换热区沿流向下移,尾缘附近换热有所增加。在一定的非设计工况范围内,前缘壁角都是有效的。     

燃气涡轮篦齿叶顶流动传热特性的数值研究

以GE-E3型第一级叶栅为研究对象开展数值研究,基于高压涡轮常规凹槽叶顶提出新型叶顶结构。通过求解三维Reynolds-Averaged Navier-Stokes(RANS)和标准k-ω湍流模型研究了篦齿结构和布局对叶顶流动传热特性的影响。数值预测的平叶顶的流场分布与实验数据吻合良好,验证了数值方法的可靠性。研究结果表明:篦齿叶顶可以有效降低中弦处的叶顶泄漏损失,篦齿形状对泄漏强度影响较小。此外,篦齿叶顶显著降低叶顶平均传热系数和热负荷,相比常规凹槽叶顶,前缘斜篦齿叶顶的平均传热系数降低了22.39%。在研究的新型叶顶结构中,倒梯形篦齿叶顶(I-TIP)具有最低的叶顶平均传热系数,梯形篦齿叶顶(T-TIP)具有最低的叶顶热流量,前缘斜篦齿叶顶具有最佳的气热性能。在叶顶凹槽前缘布置篦齿结构可有效降低叶顶换热系数。     

周向弯曲方向对NACA65翼型轴流叶轮叶顶间隙流动影响

本研究采用三维气动设计方法设计了具有NACA65-810翼型的直叶轮、周向前弯和周向后弯叶轮,并采用计算流体力学软件模拟其气动性能,分析了压力峰值工况和设计工况下3个叶轮叶顶泄漏流和泄漏涡的空间发展和叶顶间隙部分静压损失以及熵分布。结果表明:直叶轮引入周向前弯后,叶顶泄漏流的卷吸能力降低,泄漏涡起源位置向远离叶片前缘的方向迁移,泄漏涡涡心径向高度得到了保持,降低了叶顶泄漏涡与主流的干涉作用;引入周向后弯后,泄漏流的卷吸能力增强,泄漏涡的起源位置向靠近叶片前缘的方向迁移,远离叶片前缘的涡心径向高度显著降低,涡核下游弥散范围扩大,增强了叶顶泄漏流与主流的干涉作用,不利于降低叶顶泄漏损失。     

端壁传热与气膜冷却的实验研究

以某F级燃气轮机第一级动叶的叶根型线为实验叶型,设计并搭建了端壁换热特征测量实验台和气膜冷却有效度测量实验台。根据红外热像仪的拍摄结果,测量端壁的温度分布,获得端壁的换热分布和气膜冷却特征。受马蹄涡影响,前缘附近是端壁换热最强烈的区域。由于角涡的存在,压力面与端壁的角区有大面积的高换热区域。吹风比是影响气膜冷却效果的重要因素,随着吹风比的增大,端壁整体冷却效果增强。在实验中,鞍点处气膜孔对前缘端壁的冷却效果十分有限,受马蹄涡影响,前缘附近端壁的气膜被卷吸脱离壁面,难以形成覆盖端壁的气膜。     

轮缘密封导流段轴向相对位置对涡轮级气动冷却特性影响的数值研究

系统深入研究了不同导流段轴向相对位置轮缘密封射流对涡轮级气动性能及下游动叶端壁冷却性能影响规律.通过求解三维RANS方程组和SST湍流模型,计算对比了Ld=5mm、Ld=11mm以及Ld=14mm时3种不同导流段与动叶前缘相对位置、轮缘密封射流对涡轮级气动性能的影响以及对下游动叶端壁气膜保护的效果.研究结果表明:随着导...     

倒角和间隙对跨音轴流压气机气动性能的影响

通过对一单级跨音速轴流压气机的流场进行数值模拟,研究了动叶根部倒角以及顶部间隙对流场气动性能的影响.结果表明:动叶叶顶间隙会造成顶部区域的通流阻塞并加重顶部分离损失,根部倒角会减小根部的气流折转角,降低做功能力,而且扩大根部分离区,减小根部流量,增大根部分离损失,因此为了提高数值模拟的准确性应考虑动叶叶顶间隙和根部倒角.     

多变气热参数下大尺度槽深叶顶的流动换热特性

为了研究具有渐缩型面凹槽在不同深度下叶顶间隙的流动换热特性,针对某一级高压涡轮,在发动机五种典型工况下通过改变其凹槽深度,采用k-ω湍流模型以及自适应湍流模拟方法(SATES)分别进行定常和非定常的数值仿真分析。研究结果表明,凹槽深度是影响间隙泄漏流动和叶顶换热特性的重要因素,同时该影响趋势也受涡轮工作状态的限制。相比于深凹槽,浅凹槽方案的间隙泄漏量明显降低,对应的涡轮动叶出口总压损失系数也有所降低,这在涡轮小流量状态时尤为明显。然而,深凹槽设计在降低叶顶热负荷方面表现更好,其中槽深0.8H方案比槽深0.1H方案的叶顶平均努塞尔数降低38.3%～95.3%。定常和非定常两种计算方法主要影响了间隙内局部泄漏量和叶顶前部热负荷的预测值,并未改变流动换热特性的分布趋势。     

斜切式叶顶形状下非均等流量射流对叶顶间隙泄漏流动的影响

采用非均等流量射流的控制方式,即叶顶射流孔流量沿轴向弦长方向呈二次曲线分布,通过数值模拟方法探究LISA涡轮在斜切式叶顶形状下非均等射流对叶顶间隙泄漏流动的影响。结果表明：与前缘至尾缘间隙由小到大相比,前缘至尾缘间隙由大到小的叶顶形状下,非均等射流更有利于控制间隙流动,其相较于无射流下的涡轮等熵总总效率最大增幅可达2.20%,动叶出口质量平均总压损失系数最大降幅可达37.56%,间隙相对泄漏流量最大降幅可达48.57%;当射流比(总射流量占主流流量的比例)小于1.0%时,采用叶顶前缘单孔射流量大的分布方式,当射流比大于1.0%时,增加叶顶中部的单孔射流流量,这种非均等射流分布规律比均等射流控制效果更佳。     

高速径流式涡轮叶顶间隙流动研究

针对高速径流式涡轮,利用NUMECA软件建立计算模型进行雷诺平均Navier-Stokes方程(RANS)计算,采用Spalart-Allmaras湍流模型,分析了不同叶顶间隙对叶轮气动性能、间隙区域温度场、泄漏涡流及涡轮级性能的影响.结果表明:减小叶顶间隙会出现新的流动特性—逆流现象,表现为叶顶间隙通道内流体流动方向与压力梯度方向相反,即由叶片吸力面侧指向压力面侧,这一新流动特性极大地改变了间隙区域温度场;大间隙造成的气动损失不可忽视,减小叶顶间隙可抑制泄漏涡流强度,提高涡轮效率,从而改善涡轮性能.     

基于流热耦合的燃气轮机透平叶顶冷却设计

燃气轮机透平叶顶区域存在复杂的流动和换热问题,承受很高的热负荷。为了降低透平动叶叶顶温度,在透平叶顶现有结构的基础上提出气膜冷却和气膜+内冷通道冷却两种叶顶冷却方案,并通过流热耦合计算分析冷却升级前后叶顶区域的换热和流动特性。研究发现：叶顶气膜冷却方案可有效降低叶顶温度,特别是叶顶前缘至中弦区域;而气膜＋内冷通道冷却方案基于外部气膜冷却,结合内部冷却通道设计,可进一步降低叶顶尾缘的温度;与原型叶片相比,气膜+内部冷气通道的复合冷却设计可以使叶顶尾缘最高温度降低24 K。