缩放型冷却孔结构参数对燃气轮机动叶气膜冷却效果的影响研究

为了增强燃气轮机动叶的气膜冷却效果,提出一种缩放型气膜孔结构,采用数值模拟的研究方法,模拟了吹风比M?1.0、主流湍流度Tu?5%时,分别带有扩张角度??0?、??5?、??10?和??15?的4种缩放型冷却孔叶片的气膜冷却效果,并用平均气膜冷却效率和不均匀系数两个新型评价指标辅以评价叶片冷却效果。研究结果表明:缩放孔型的扩张角度由??0?增加至??10?的过程中,无论是在叶片压力面还是吸力面上,气膜冷却效率整体呈递增趋势,其纵向平均气膜冷却效率和横向平均气膜冷却效率逐渐增大,不均匀系数降低,冷却效果增强。当扩张角度增大至??15?时,相对于带有??10?孔型的叶片,其压力面和吸力面上的气膜冷却效率出现下降,纵向平均气膜冷却效率和横向平均气膜冷却效率减小,不均匀系数增大,冷却效果变差;在带有不同孔型的叶片的中后缘位置都出现了明显的高冷却区域,带有扩张角度??10?孔型的叶片在该区域的冷却优势更明显;4种孔型在叶片吸力面上气膜覆盖的整体均匀度都要比压力面高。     

孔型对平板气膜冷却效率影响的数值模拟

为了研究孔型对平板气膜冷却绝热效率(冷却效率)的影响,基于SSTk-ω紊流模型及Simple算法,采用有限体积法对控制方程进行离散。对不开槽姊妹孔(1个主孔和2个次孔)、开槽圆柱孔以及开槽姊妹孔3种不同孔型的平板气膜冷却效率进行数值模拟,得出吹风比分别为0.5,1.0,1.5,2.0时X/D=4截面的速度云图,以及不同孔型平板气膜的冷却效率。分析结果表明:随着吹风比的增大,3种孔型平板气膜的冷却效率降低;在低吹风比(M=0.5)时开槽姊妹孔平板气膜的平均冷却效率和覆盖区域最优;在高吹风比(M=2.0)时开槽圆柱孔平板气膜的平均冷却效率和覆盖区域最优。     

旋转叶片气膜冷却效果的数值研究

采用数值模拟方法研究了静止和旋转涡轮叶片表面不同工况下的气膜冷却效果,计算给出了吹风比M=1.0、1.5等工况下静止和旋转叶片压力面、吸力面的气膜冷却效率,以及不同射流孔下游的气膜冷却效率,并分析了旋转和吹风比对气膜冷却效果的影响。结果表明：静止叶栅,M=1时叶片气膜冷却效果较好,旋转叶栅,M=1.5时叶片气膜冷却效果较好;叶栅在高速旋转时,冷却气流对射流孔附近区域影响不大,叶片尾缘附近气膜冷却效率呈现先增大后减小的趋势;叶片高速旋转时,产生的离心力使冷却气流流向叶顶区域,靠近叶顶区域的气膜冷却效率值较高。     

凹槽带肋叶顶气膜冷却特性数值模拟

为了提高凹槽叶顶的气膜冷却效率,提出了一种凹槽带肋叶顶结构。通过数值模拟方法,研究了叶顶结构在不同吹风比、滑移壁面条件下冷却气体在凹槽腔内的流动状态和气膜冷却效率分布,揭示了凹槽带肋叶顶改善叶顶气膜冷却效率机理。结果表明:吹风比为0.5时,气膜孔附近冷却效率最高;吹风比为1.5时,凹槽内吸力面附近冷却效率最高;肋片导流作用使冷气更大范围地覆盖在凹槽内,提高了平均冷却效率,这种效应在吹风比为0.5时更明显。     

燃气轮机叶片气膜冷却及换热特性研究

采用数值仿真软件,选用Realizable k-ε双方程湍流模型,对燃气轮机交叉孔叶片进行气膜冷却仿真研究;搭建实验平台,研究不同吹风比下的叶片冷却效率和对流换热系数;将仿真结果与实验数据进行对比,结果表明理论值与实验值具有一致性。最后得出结论:叶片前端气膜孔位置冷却效果最佳,沿着主气流方向,气膜冷却效果逐渐减弱;叶片吸力面的气膜冷却效果比压力面好;随着吹风比增大,气膜覆盖效果增强,冷却效率提高。     

双叉排气膜孔交互作用对气膜冷却效率影响

采用高精度红外热像仪测量了平板气膜冷却效率,比较了双叉排孔和单排孔气膜冷却效率,分析了孔间的相互作用,以及吹风比（M=0.65、1.00、1.50）和密度比（DR=1.0,1.5）对气膜冷却效率的影响;同时还采用数值计算方法比较了气膜冷却下的流场。结果表明：单排气膜孔冷却效率随着吹风比的增加而降低,但是双叉排气膜孔冷却效率大大提高,且随着吹风比的增加而增加,但是在展向气膜覆盖效果变差;增加密度比可以提高气膜冷却效率,但是双叉排孔和吹风比的影响相对密度比更大;双叉排孔相比于单排孔,冷却气流在孔下游形成了反肾形涡,较好抑制了气膜吹离。     

燃气轮机旋转状态下的动叶气膜冷却效果数值模拟研究

采用数值模拟的方法研究了旋转对叶片气膜冷却效果的影响,详细对比了不同吹风比下叶片在旋转和静止状态下的气膜冷却特性,并用平均气膜冷却效率和不均匀系数评估了气膜冷却效果。结果表明：在叶片压力面,叶片的旋转使得射流气体从气膜孔流出后法向动量增大,与主流掺混作用加强,从而使得叶片压力面气膜冷却效率值低于静止状态;在叶片吸力面,叶片旋转使得冷却气体流出后法向动量减小,能够更好地贴附在叶片表面向下游流动,使得旋转时叶片吸力面气膜冷却效率要优于静止状态,并且叶片后沿的平均气膜冷却效率较静止状态有显著提高;旋转状态下叶片表面的不均匀度系数要略大于静止时叶片表面不均匀度系数。     

吹风比对燃汽轮机平板气膜冷却特性影响的实验研究

对不同吹风比条件下的典型单排孔冷却结构的平板气膜冷却特性进行了实验研究,对冷却孔下游的气膜冷却效率及换热系数分布规律进行了分析.实验在3个吹风比条件下进行,分别为0.5,1.0,1.5.实验中冷却孔直径的雷诺数ReD=13600.射流、主流的密度比通过温度控制保持在0.88.实验中采用热敏液晶技术用以获取冷却孔下游整个温度场分布信息,通过对实验数据进行分析,在吹风比0.5条件下冷却孔下游Y＜10区域取得最优冷却效果;吹风比1.0条件下的冷却效果优于吹风比1.5条件下的冷却效果.气膜冷却条件下的换热系数分布和其对应的冷却效率分布基本相同.     

壁厚对气膜冷却效率影响数值模拟

为了探讨薄壁尺寸对气膜冷却效率影响,对壁厚为1倍、2倍和3倍孔径结构下游流场、温度场及气膜冷却效率进行了数值模拟研究。结果表明:壁厚为1倍孔径时气膜孔出口截面处出现高速区,使气膜孔出口垂直主流方向射流动量大,促进冷气被抬离壁面,气膜孔出口展向速度指向孔中心线,减弱气膜展向扩散性;在吹风比为1.0、1.5和2.0时,壁厚为1倍孔径结构的展向平均气膜冷却效率比壁厚为3倍孔径结构分别低9%~45%、21%~43%和9%~62%;壁厚为2倍和3倍孔径结构的展向平均气膜冷却效率相差较小。     

涡轮端壁气膜冷却效果数值模拟

采用CFD方法在叶栅端壁21%,51%,81%轴向弦长和前缘上游9%轴向弦长端壁处布置4排圆柱形气膜冷却孔,选用标准κ-ε模型模拟分析端壁单一角度与复合角度射流的冷却效果。结果表明:复合角度射流优势在入射角α=30°时最明显,此时复合角度射流平均冷却效率比单一角度射流平均冷却效率增加16.4%;随着吹风比增加,射流孔附近冷却效率下降速度变慢;复合角度射流的引入会导致反向涡不对称,加强了气膜的贴壁性,更有利于汽膜冷却。     

多孔气膜冷却纵向耦合涡的数值模拟

应用Realizable k-e 紊流模型并结合SIMPLEC算法,近壁区流动的处理采用加强壁面函数法,对多孔气膜冷却进行数值模拟,将数值解与实验值进行比较,对纵向耦合涡的发展与冷却死区范围变化的关系进行探讨。结果表明,数值计算可较真实地模拟平板多孔气膜冷却气膜孔间气膜冷却效率的分布规律。冷却气流对底面形成气膜冷却的效果是由于纵向耦合涡覆盖在底面之上,阻隔主流与底面直接接触;气膜孔后高涡量、低涡心位置的纵向耦合涡的形成有助于提高其覆盖区域的气膜冷却效率;底面气膜冷却效率的分布规律与纵向耦合涡在底面上的覆盖范围一致,多孔气膜冷却气膜孔后纵向耦合涡的汇合位置直接影响孔间冷却死区的范围。     

宽口扇形孔射流气膜冷却效率研究

为了揭示宽口扇形孔射流提高冷却效率的机理,采用商业软件及k-ε模型对吹风比为0.5,1.0,1.5和2.0的宽口扇形孔射流气膜冷却效率进行了数值模拟及分析。结果表明:宽口扇形孔射流有效地增加了冷气径向覆盖范围,冷气和燃气掺混后的流场相比于圆柱孔射流流场更有利冷气贴附于壁面,其冷却效率明显高于圆柱孔射流冷却效率;宽口扇形孔射流在吹风比为1.0,1.5和2.0时的冷却效率差别较小,且均明显大于吹风比为0.5时的冷却效率。     

燃气轮机叶片前缘冷却特性研究

为了研究气膜冷却不同孔型对燃气轮机叶片冷却效率的影响,采用Fluent数值仿真软件,选用Realizable k-ε双方程湍流模型,对圆孔、交叉孔气膜冷却进行数值模拟。同时研究不同马赫数吹风比下圆孔、交叉孔冷却系数,换热系数,温度和冷却效率云图等。计算结果表明,同一孔型下叶片前缘冷却效率和换热系数较高,叶片中缘、尾缘相对较小。在同一吹风比下,不同孔型在叶片上冷却效率、换热系数的变化趋势一致,但是交叉孔的冷却效率和对流换热系数比圆孔高。     

横向槽横向宽度对气膜孔冷却性能影响的数值研究

采用数值模拟的方法,研究带横向槽的气膜孔冷却结构槽横向宽度对气膜孔下游平均冷却效率的影响规律。对通过气膜孔次流的流场、垂直于主流截面上的局部速度矢量和温度分布、近壁面的冷却效果和气膜孔下游平均冷却效率进行了分析,发现槽横向宽度越小,气膜孔对冷流的束缚作用越强,使冷流以较大动量从孔中喷射出,导致冷流的贴壁性较差,气膜孔下游的平均冷却效率越低;槽横向宽度越大,冷流在气膜孔出口处有一定的膨胀,减小了其向上喷射的动量,使冷流的贴壁性更好,气膜孔下游的平均冷却效率也越高。     

温比对双向扩张孔射流气膜冷却效率的影响

为了探讨冷热流体真实温比与小温比的气膜冷却特性差别,采用湍流模型及Fluent软件,对吹风比Br分别为0.5和2.0,温比Tr分别为1.1和2.0的双向扩张孔射流气膜的流场、温度场和冷却效率分布进行研究。结果表明:Br=0.5时,2种温比下的冷气扩散基本一致,径向平均冷却效率差别不大;Br=2.0时,Tr=2.0的冷气径向扩散优于Tr=1.1的,径向平均冷却效率较Tr=1.1时增幅13.4%~55.5%。     

定常等离子体强化气膜冷却效果的数值研究

为获得等离子体气动激励提高气膜冷却效率的物理机制,基于等离子体唯象模型运用大涡模拟方法开展了等离子体控制平板气膜冷却流动的仿真计算,研究了激励器位置和数目对等离子体提高气膜冷却效率的影响。结果表明:激励器越靠近气膜孔出口,冷却射流在等离子体下拉诱导作用下其中心轨迹越贴近壁面,气膜孔出口气流受到的影响越明显,当激励器布置在x/d=0时射流出口最大流向与法向速度增大了10%和3%左右,而气膜孔前缘附近的法向速度约减小了2%,从而削弱了射流迎风面上冷、热气流的掺混以及降低了肾形涡的强度及其抬升射流的能力,使得中心线气膜冷却效率约提高了40%;同单个激励器相比,当采用2个激励器时冷却射流因再次受激励器的下拉诱导与流向加速作用而更加贴近壁面,其向下游延伸的能力进一步增强,同时促使气膜孔下游的大尺度发卡涡破碎成小尺度近壁条带结构而抑制了冷、热气流的掺混,从而平板中心线和展向平均气膜冷却效率分别提高了17%和40%左右;此外,相同激励强度条件下合理分配激励器数目可有效提高等离子体改善气膜冷却效果的性能。     

冷气横流对单入口-双出口孔射流冷却效率影响

采用Fluent软件和k-ε湍流模型,在主流雷诺数为9 600,吹风比分别为0.5,1.0,1.5和2.0,横流速度比分别为0.3,0.5和0.7条件下,对横流冷气气膜的冷却效率、流场和温度场进行三维数值模拟。结果表明:吹风比为1.0时,横流速度比对2个出口流量分配影响最明显;低吹风比(0.5)时,横流速度比对径向平均冷却效率和面平均冷却效率影响均非常小;中等吹风比(1.0)时,横流速度比增加使冷却效率减小;高吹风比(2.0)时,横流速度比对径向平均冷却效率分布影响比较复杂,对面平均冷却效率影响较小。     

上游斜坡对气膜孔换热特性影响的数值研究

为了获得气膜孔上游放置斜坡对气膜孔换热特性的影响规律,采用数值模拟方法研究了斜坡的台阶高度分别为0.3D,0.5D和0.75D(D为气膜孔直径)时在不同吹风比下的流动过程和换热特性分布情况,并与常规气膜孔冷却结构形式进行了对比。研究表明：在气膜孔上游设置斜坡,延缓了主流通过反向涡对对冷却气流的掺混作用,反向涡对强度减弱,冷却气流出流后的贴壁效果更好,提高了气膜孔出口下游的冷却效率和换热系数,并且随着斜坡高度的增高,效果更为显著。吹风比M=1.0时,斜坡对气膜孔出口下游换热系数的改善作用更强。     

非定常尾迹宽度对气膜冷却效果的影响

对非定常环境下动叶气膜冷却的流场进行数值模拟,研究非定常尾迹宽度对气膜冷却效果的影响。结果表明,对于动叶的气膜冷却来说,由非定常尾迹形成的低速区对冷却射流的压制作用减小,使冷却射流更多地进入主流并与其掺混,使得气膜孔下游叶片表面的冷却效果降低。当尾迹宽度增大时,叶片表面气膜冷却效果降低的程度增加。非定常尾迹对压力面上冷却效果的影响大于吸力面。压力面上在第1个冷却孔后面冷却效率降低了15％,而吸力面上的冷却效果变化不是很明显。     

吹风比对涡轮叶片尾缘气膜冷却效率影响

为了探索涡轮叶片尾缘劈缝冷却特性,针对后台阶三维劈缝冷却模型,采用数值模拟方法研究了吹风比Br=0.5、0.8、1.0、1.5时的气膜冷却效率。结果表明:后台阶区域劈缝下游气膜冷却效率比肋下游气膜冷却效率在小吹风比(Br=0.5)时高10.9%～39.1%,在大吹风比(Br=1.5)时高53.5%～56.0%;Br越大,后台阶气膜冷却效率沿流向降低速度越快,后台阶尾部气膜冷却效率沿半圆柱周长方向降低速度越慢;肋下游后台阶尾部,Br为0.8和1.0时气膜冷却效率比Br为0.5和1.5时高7.0%左右;后台阶尾部是气膜冷却的薄弱部位,其面积加权平均气膜冷却效率比后台阶低37.0%～39.0%;Br为0.8、1.0时,后台阶及其尾部的面积加权平均气膜冷却效率最高,较Br=0.5时高9.0%～11.0%,较Br=1.5时高3.0%～6.0%。