不同安装角下透平静叶气膜冷却流动特性的试验研究

在直流式低速风洞试验室内,采用粒子图像测速技术（PIV）对带6排气膜冷却孔的透平静叶在不同吹风比M和不同叶片安装角口下的流场结构进行了测量,并对流场速度和湍动能进行了分析．结果表明：吸力面的速度梯度明显大于压力面,并且随着叶片安装角的减小和吹风比的增大,速度梯度逐渐变大;安装角对气膜的贴壁性有影响,当β=70°时,气膜的贴壁性最好,且吸力面的贴壁性强于压力面;湍动能的最大值位于冷气发生弯曲的上部,即主流与射流掺混的边界;随着安装角的减小,在压力面下游远场出现的湍动能集中区的脉动程度逐渐减弱,当β=70°时达到最小,随着安装角的再度减小,该湍动能集中区在吸力面下游出现并逐渐增大．     

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.     

基于红外热像技术的气膜冷却实验方法与应用

为了研究燃气轮机高温部件气膜冷却技术,设计了低速风洞试验台。用红外热成像温度测量技术,对平板单孔和排孔射流冷却特性进行试验研究。通过埋在平板内的高精度热电偶校正,得到准确的温度,并建立了校正关系。试验件为不锈钢平板,孔是35°圆柱斜孔,孔径D=4mm,长径比L/D=3.49,吹风比M=0.5～2.5。通过气膜冷却效率分布来描述气膜冷却效果,实验处理数据给出了在50℃、196℃、267℃时不同位置的气膜冷却效率,实验结果表明不同冷却空气量对气膜冷却效果的影响。     

不同吹风比下双出口孔射流气膜冷却数值模拟计算

为了获得吹风比对新型气膜冷却孔冷却效率的影响规律,利用Fluent软件求解Navier-Stokes方程,对吹风比分别为0.5、1.0、1.5和2.0时单入口-双出口孔射流冷却效率进行了数值模拟计算,得到了不同吹风比下的流场和冷却效率.结果表明：吹风比对冷却效率有很大影响;随着吹风比的提高,不同次孔方位角下的冷却效率变化规律也不相同;当次孔方位角γ=30°时,吹风比为1.0时的冷却效率最高;当γ=45°时,冷却效率随着吹风比提高而提高;当γ=60°时,冷却效率随着吹风比提高而降低;在研究高吹风比对气膜冷却效率的影响时,γ=45°最佳.     

涡轮叶片综合冷却效率实验的缩尺效应

基于简化叶片的传热实验,研究缩尺模化对综合冷却效率的影响,得到缩尺效应随主流雷诺数和流量比的变化情况,以及毕渥数和热障涂层厚度对综合冷效缩尺效应的影响规律。采用一维传热模型,量化分析了缩尺模化对综合冷却效率的影响,并在实验中得到验证。结果表明：缩尺比例为1.5时,缩尺叶片综合冷却效率相对基准叶片增加10%,且增幅随主流雷诺数和流量比增加;基准叶片导热系数由17 W/(m·K)增加至50 W/(m·K),缩尺叶片平均综合冷却效率差异由13.71%降至0.34%;热胀涂层厚度等比例缩尺可减小缩尺效应的影响,使缩尺叶片综合冷却效率差异由13.07%降至2.98%。     

叶片前缘气膜冷却离散孔下游流动特性的试验研究

以燃气轮机叶片为研究对象,设置主流风速为10 m/s,采用热膜风速仪作为测量工具,对气膜冷却叶片压力面和吸力面下游指定位置的二维速度进行了测量.结果表明:当射流比增大时,压力面和吸力面主射流掺混中心上移,在叶片型面曲率梯度较大处会出现回流现象,混合流体贴壁性变差.吸力面速度u梯度明显增加,吸力面流体贴壁性好于压力面.随着χ/d的增加,压力面一侧速度u逐渐变得不规则,在叶片曲率较大处的近壁区出现了明显的二次流,吹风比对吸力面一侧速度v的影响比对压力面一侧的影响小.     

旋转对涡轮叶片气膜冷却影响的数值模拟

采用数值模拟的方法对旋转涡轮叶片表面的气膜冷却效率进行了研究,同时对涡轮静叶栅和动叶片在不同的旋转速度下分别进行计算,分析不同转速、吹风比和冷却气流喷射角度对气膜冷却的影响.计算结果表明,旋转使压力面气膜冷却效率降低,转速越高,气膜冷却效率越低;在吸力面冷却孔下游附近区域,叶片旋转对气膜冷却效率的影响不大,但叶片旋转使离冷却孔较远处的吸力面冷却效率升高.同时,在旋转状态下,靠近叶顶区域的叶片表面气膜冷却效率升高.     

燃气轮机叶片预扭叶冠应力计算与分析

以某型燃气轮机动力涡轮动叶为研究对象,通过仿真计算开展了预扭叶冠应力分布规律的研究。计算过程考虑了离心力载荷、压力载荷、热载荷、预扭约束的影响。计算结果表明:与无预扭约束叶冠相比,增加预扭约束后叶冠应力分布情况发生明显变化,大应力位置集中在预扭工作面与非工作面夹角位置,应力主要与离心力载荷和预扭约束有关。在离心力载荷作用下,叶冠有绕叶身进气侧旋转的位移运动;增加预扭约束后,抑制了叶冠的旋转,导致叶冠在夹角位置产生了附加应力;在叶冠夹角位置的应力由离心载荷产生的应力、预扭约束产生的应力与附加应力共同组成,为降低叶冠夹角位置的应力水平,需对叶冠厚度进行改进。     

燃气涡轮无气膜动叶设计流程及分析

为了进行涡轮动叶冷却结构设计,采用一套设计流程,完成了某型涡轮第一列动叶无气膜方案设计。结果表明:管网计算设计中,得出调整后冷却结构的第一腔流量为16.85 g/s,第二腔流量为40.78 g/s,前缘最大温度为1 169 K,低于材料许用温度,满足设计要求。三维导热中的最大温度相比管网计算得出的温度有所上升,通过分析,管网计算未能考虑极值温度,因此三维导热计算是有必要的。从给出的三个截面温度场可以看出,前缘位置存在一定高温区,但最大温度低于设计温度,温度场符合设计要求。     

燃气轮机高温叶片气膜冷却系统的研究进展

气膜冷却是现代燃气轮机透平高温叶片冷却的重要方式。真实透平中的复杂工况对气膜冷却系统提出了严峻的挑战,优化设计气膜冷却系统,提高其冷却性能,同时适应真实透平的工作条件已成为业界关注的一个主要问题。本文综述了近年来在气膜冷却结构设计、气膜冷却系统制造和其在燃机真实条件下运行性能三方面的研究成果。在此基础上提出了气膜冷却研究的发展方向。高温叶片的气膜冷却系统将在更加接近燃机真实运行工况的雷诺数、马赫数、湍流度、吹风比、动量比、密度比以及非稳定流场条件下,沿着优化气膜孔的组合排布、孔形和孔影响区域这三方面进行优化设计,同时考虑加工工艺和长期运行均会导致实际的气膜冷却孔会偏离设计构造的影响。     

双层壁冷却结构综合冷却效率和相对压力损失多目标优化

在典型燃烧室工作环境下,针对特定双层壁冷却结构,以综合冷却效率和相对压力损失为优化目标,采用径向基神经网络构建数学模型,通过遗传优化算法实现多目标优化,旨在提高其气动和传热性能。在给定的双层壁冷却结构参数范围内,优化后双层壁冷却结构的最大综合冷却效率为0.89,而相对压力损失可降至0.17%。     

冲角和孔排间距对端壁气膜冷却效率的影响

燃气轮机在变工况运转时透平叶栅和级的特性对燃机总体性能影响极大,而叶栅端壁气膜冷却效率是关键因素。为了提高端壁气膜冷却效率,通过优化气膜孔间距排列的方法,在叶栅端壁20%、50%、90%轴向弦长处和距前缘-10%轴向弦长端壁处布置单排带复合角度的圆柱形气膜冷却孔,运用CFD(计算流体动力学)方法对冲角(10°、0°、-10°)在不同吹风比(1、1.5、2)条件下端壁气膜冷却效率进行对比分析。结果表明:采用气膜孔非等距排列方式能有效缓解因横向压力梯度变化引起的马蹄涡在压力侧的阻隔作用,压力侧冷却效率较高;高吹风比的冷却射流会出现抛射冷却,能有效抑制冷却射流脱离壁面,壁面平均冷却效率提高;主流正冲角有利于提高端壁吸力侧气膜冷却效率,压力侧变化不大。     

燃气轮机箱装体排气引射通风冷却的试验研究

本文通过一系列排气引射试验,得出了引射系数和引射工作段几何参数配合、排气烟道阻力、被引射气流道阻力的关系,得出了箱体内冷却气流的流场,同时,首次提出引射冷却时,燃气倒灌入箱体的可能性。从这些试验曲线出发,提出在设计燃气轮机排气引射通风冷却时,几何参势选取原则及其最佳值的范围。     

动叶端壁离散孔气膜冷却的数值研究

基于某F级燃气轮机第一级动叶栅的数值模拟,以实现动叶端壁气膜冷却全覆盖为目标,分析定常下动叶端壁的流动与传热特征,拟综合考虑端壁二次流结构特征与级间封严冷气泄漏流的影响,将端壁划分为四个具有不同流动传热特征的区域,并据此设计了叶根端壁仅13孔数的离散气膜孔布置方案各区域采取不同的冷却方式根据不同吹风比下的研究结果发现:吹风比为0.75时端壁冷却有效度均值在0.2以上,实现了全端壁冷却的目标;前缘附近端壁冷却效果受吹风比影响显著,吹风比在0.75以上时冷却有效度达到0.5以上;除近压力面区域,气膜冷却效果随吹风比的增大而提高。     

椭圆形突片气膜冷却效率的试验研究

为研究突片对气膜冷却效率的影响,设计了3种不同堵塞比的椭圆形突片,采用红外摄像仪对不同形状突片冷却壁面的温度场进行了测试,并分析了气膜冷却效率随吹风比、堵塞比的变化规律.结果表明:突片的存在大大提高了气膜冷却效果;冷却效率随吹风比的增加而增大;且当x/D<7时,存在一个最佳吹风比值;冷却效率随堵塞比的增加而增加;椭圆形突片的气膜冷却效率要高于三角形突片的气膜冷却效率.     

新型缩放槽缝孔气膜冷却效率的数值研究

基于控制容积法对三维定常不可压缩N-S方程进行离散,采用分区域非结构化网格及两层k-ε湍流模型,在吹风比M=0.6～1.5的情况下,对新型缩放槽缝形气膜孔进行了详细的平板气膜冷却数值汁算,得到了在喷孔射流下游处及叶高方向上的气膜冷却效率,并研究了其孔长与孔径比L/D对冷却效率的影响.计算结果表明:高吹风比对缩放槽缝孔沿中心线冷却效率的影响较为复杂;缩放槽缝形气膜孔下游的冷却效率并不随吹风比的变化而单调变化,而是在吹风比为1.0时存在最佳值;在孔口下游较远区域,两个相邻孔之间沿叶高方向的气膜覆盖性较好;缩放槽缝孔的冷却效率随着其孔长与孔径比L/D的增大而增大,当L/D>8时,增加的幅度趋缓.     

具有整体围带和凸台拉筋汽轮机长叶片阻尼振动特性实验研究

阻尼围带和凸台拉筋结构在大型汽轮机叶片中被广泛采用来增加叶片阻尼,降低其振动应力.设计并建造了阻尼结构叶片振动特性实验台,对一具有阻尼围带和凸台拉筋汽轮机长叶片的阻尼器接触面施加不同转速下的正压力进行了振动特性测试,得到了不同转速正压力下叶片的频响曲线和模态阻尼比.试验结果表明:只有围带接触时,随着转速的增加,叶片模态阻尼比先增后减;围带和拉筋都接触时,也存在同样的现象.当转速大于2 600r/min后,叶片的共振频率基本不变且模态阻尼比与自由叶片时基本一致.     

不同冷气/燃气温比下高温涡轮叶片旋流冷却流固耦合特性研究

采用流固耦合方法对燃气轮机高温涡轮叶片旋流冷却结构进行数值模拟分析。探究了不同冷气/燃气温度比条件下旋流冷却的流动与传热特性、叶片前缘区域固体温度、热应力以及热应变分布。研究表明：在进气腔入口雷诺数固定的条件下,随着温度比升高,冷气密度降低,冷气流速逐渐提升,同时湍动能升高,靶面努塞尔数逐渐升高;当温度比较低时冷气的流速较低、单位时间冷气带走的热量较少,当温度比较高时冷气温度较高、单位质量冷气所能吸收的热量有限,靶面处热流密度先升高后降低。受靶面热流密度分布影响,随着温度比升高,叶片前缘固体的温度、热应力以及热应变先降低后升高。     

汽轮机末级钛合金长叶片围带接触力分析

大型汽轮机末级钛合金叶片的自锁阻尼围带在运行中会发生接触面磨损的现象,减小了接触面之间的接触紧力,导致叶栅整体性和刚性削弱,对叶栅的阻尼减振效应产生了负面影响.为更好地分析和了解这一问题,建立了末级长叶片整圈阻尼围带的接触力分析模型,可对不同结构、不同磨损状态的长叶片围带接触紧力进行定量分析.用有限元方法对该模型进行了...     

冷却空气对燃气轮机性能影响的计算分析

冷却空气量是影响燃气轮机性能的关键因素,透平冷却技术研究的重点方向是以最少的冷却空气量来达到最好的冷却效果,才能使燃气轮机性能达到先进水平.对市场上具有代表性的某些型号的燃气轮机冷却空气量进行了推算,并对300 MW等级燃气轮机在不同透平初温、不同冷却空气量下的性能进行了计算,对透平初温、冷却空气量对机组循环性能的影响进行了定性分析.