气膜孔几何结构对涡轮叶片气膜冷却影响的研究进展

综述了近年来涡轮叶片气膜孔几何结构对气膜冷却特性影响的研究成果,介绍了影响气膜冷却效果的因素.总结了气膜孔结构对叶片前缘、叶片端壁以及对平板气膜冷却影响的研究现状.阐述了气膜孔结构对气膜冷却传热特性的影响.最后指出进一步优化气膜孔结构,综合考虑气膜孔尺寸、长度、间隔、形状以及相对透平叶片取向对气膜冷却的影响和新型气膜孔的研究.将是今后工作的重点.     

平板气膜冷却技术

通过数值模拟研究了双孔平板的气膜冷却效率随吹风比和不同孔型的变化情况.其中孔型分别为圆柱孔、扩张孔和复合孔,它们的射流角均为30°,扩张孔的扩张角为1.79°,复合孔是由圆柱孔和扩张孔结合而得到的新型孔.利用CFD软件对模型进行数值模拟,采用单排双孔模型.对比分析了圆柱孔、扩张孔和复合孔的冷却情况.     

双叉排孔脉动射流气膜冷却效率的实验与数值模拟研究

采用高精度红外热像仪测量了平板绝热气膜冷却效率,比较了双叉排孔和单排孔气膜冷却效率,分析了吹风比(M=0.65,1.0,1.5)和脉动频率(St=0,0.01,0.015,0.025)以及孔间作用对气膜冷却效率的影响,结合数值计算得到的瞬态流场和温度场分析了脉动射流气膜冷却下的流动传热机理。结果表明：在稳态射流工况下,单排孔的气膜冷却效率随着吹风比的增加而减小,双叉排孔的气膜冷却效率却随着吹风比的增加而增大;在脉动射流时,单排和双叉排孔的气膜冷却效率在低吹风比下低于稳态射流,在高吹风比下,脉动射流对气膜冷却效率的影响减小,且低频脉动射流气膜冷却效率略高于稳态射流。     

气膜孔形状对涡轮叶片气膜冷却效果的影响

基于控制容积法对三维定常不可压缩N-S方程进行离散,采用非结构化网格及两层k-ε湍流模型,在吹风比M为0.6和1.2的情况下,数值模拟了气膜孔几何形状对涡轮叶片气膜冷却效果的影响,得到了气膜孔附近的流场分布.所选孔形为圆柱孔、前向扩张孔、开槽前向扩张孔及新型缩放槽缝孔.结果表明:圆柱孔的冷却效率随着吹风比的增加而显著地降低;开槽前向扩张孔的冷却效率优于圆柱孔和前向扩张孔;缩放槽缝孔在不同吹风比下的冷却效率均高于其它3种孔形,缩放槽缝孔和开槽前向扩张孔不同程度地抑制了反向涡旋对的产生,提高了射流对壁面的贴附性,增强了壁面的冷却效果.     

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。     

气膜孔布置对旋流双层壁结构流动传热特性影响研究

为了研究气膜孔复合角和孔排布方式对冲击诱导旋流气膜双层壁冷却流动与耦合传热的影响,采用流固耦合的数值计算方法,对不同吹风比下4种气膜孔复合角的综合冷却效率和射流流动结构进行了详细研究,同时研究了两种气膜孔排布方式对旋流双层壁结构流动和传热的影响,揭示了4种气膜孔复合角θ下射流空间旋涡的形成、发展和演化过程,并对比分析了不同吹风比下4种气膜孔复合角对面积平均综合冷却效率和总压损失系数的影响。结果表明：气膜孔排布方式不同时,气膜孔复合角对综合冷却效率的影响相差较大。吹风比为1.0时,单旋流交错排布方式下增大气膜孔复合角可以有效提高射流的展向覆盖范围,从而提高综合冷却效率,θ=30°时的面积平均综合冷却效率比θ=0°时高约14.22%;双旋流交错排布时θ=30°比θ=0°时的面积综合冷却效率提高约4.58%。吹风比增加到2.0时,由于射流穿透主流吹离了冷却壁面,降低了气膜保护效果,使得冷却壁面均匀性变差,并且双旋流交错排布时尤为明显。随着吹风比的增加,两种气膜孔排布方式的总压损失系数均呈指数形式增加。     

姊妹孔平板气膜冷却效率的数值模拟

利用Fluent软件对Navier-Stokes方程进行求解,采用Realizable k-ε模型研究了30°、45°和60°3种夹角姊妹孔射流对气膜冷却效率的影响,讨论了2个次孔夹角角度对流动温度场和姊妹孔平板冷却效率的影响.结果表明:姊妹孔主要是通过2个次孔产生的涡旋结构和主孔涡旋结构相互作用来提高冷却效率的,将被抬离的射流中心向横向方向拉拽,破坏反向对涡旋,将升力变为展向拉力,既提高了射流贴壁性又增大了展向覆盖面积;姊妹孔夹角为30°时,平板的气膜冷却效率最高.     

孔型对水雾/空气气膜冷却特性影响的数值模拟研究

在平板表面分别开设了圆柱孔、展向扩张孔和收缩扩张孔。对比研究了3种孔型的纯空气气膜冷却和水雾/空气气膜冷却特性。在3种吹风比：0.66、1.04、1.44下展开研究。将圆柱孔的数值计算结果与文献中的实验结果进行对照以验证水雾/空气冷却数值计算方法的正确性。对3种孔型下冷却气体混合物的无量纲速度矢量图和部分水雾颗粒的运动轨迹进行了比较和分析。对3种孔型中心线和展向平均气膜冷却效率进行了比较和分析。结果表明：圆柱孔和展向扩张孔射流形成的肾形涡将水雾颗粒抬离平板表面。收缩扩张孔射流形成的肾形涡增强了水雾颗粒的展向扩散并将靠近孔口两侧区域的水雾颗粒逐渐抬离平板表面。对于圆柱孔和展向扩张孔,其射流形成的肾形涡削弱了水雾颗粒对于展向平均气膜冷却效率的提高作用,收缩扩张孔水雾/空气冷却的展向平均气膜冷却效率在3种吹风比下均大于0.6,当吹风比为1.44时,收缩扩张孔的展向平均气膜冷却效率约为展向扩张孔的2倍,圆柱孔的4倍。2种冷却方式下,在吹风比从1.04增大到1.44时,展向扩张孔中心线气膜冷却效率降低0.3左右,而收缩扩张孔中心线冷却效率的降幅小于0.1。     

气膜孔形状对冷却效率影响的数值研究

采用控制容积法对三维定常不可压缩雷诺时均紊流方程(N-S方程)进行了离散,并在吹风比M为0.6和1.2的情况下,利用非结构化网格及两层k-e湍流模型,对气膜孔几何形状对涡轮叶片气膜冷却效率的影响进行了数值模拟,得到气膜孔附近的流场分布.结果表明:圆柱形孔的冷却效率随吹风比的增大而明显降低.前向扩张孔的冷却效率优于圆柱形孔,射流在叶高方向上扩展较广,在侧向孔间区域的气膜冷却效率较高.缩放槽缝孔在不同吹风比下的冷却效率均高于圆柱形孔和前向扩张孔,而且在孔下游较远区域,2个孔之间沿叶高方向的气膜覆盖性较好.缩放槽缝孔和前向扩张孔不同程度地抑制了反向涡旋对的产生,因而提高了射流对壁面的贴附性,增强了壁面的冷却效果.     

利用波形槽改善气膜冷却效率的数值研究

为研究具有波形槽结构的冷却孔出口和波形槽扩散角对涡轮叶片气膜冷却效率的影响,设计了3种不同的扩散角波形槽结构,采用数值模拟方法研究了波形槽的下游速度场、温度场及壁面的气膜冷却效率,分析了波形槽及其扩散角对气膜冷却效率的影响。结果表明:在同一吹风比M=1.5时,与标准圆柱孔相比,波形槽结构的展向平均气膜冷却效率提高200%~300%;与横向槽相比,波形槽结构展向平均气膜冷却效率提高60%~120%;小吹风比条件下,3种扩散角波形槽结构的平均气膜冷却效率差别不大,大吹风比条件下,小扩散角波形槽结构具有较高的平均气膜冷却效率。     

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。     

叶型表面曲率对离散孔气膜冷却性能的影响

由于型面曲率的影响,涡轮叶片前缘和吸力面的冷却气膜易于脱离型面,气膜冷却效果下降。本研究将叶片型线分段拟合,建立了多个单一曲率的曲面模型(R/D=-30、-75、120、∞),研究涡轮叶片表面曲率对于气膜冷却的影响。流动与传热的数值模拟采用Fluent软件,湍流模型选择RNGk-ε模型,模拟方法经平板流动进行的结果验证是可靠的。在不同吹风比(M=0.5、1.2、2.0)条件下,计算比较了不同曲率曲面上气膜单孔下游的壁面传热系数以及局部平均气膜冷却效率。结果表明:涡轮叶片型面曲率对气膜冷却效果的影响与吹风比有关。不同曲率的型线部分,应该设计采用不同的吹风比,气膜冷却效果可能取得最佳。低吹风比M<1时,凹面曲率对气膜换热系数是强化,凸面基本没有作用。高吹风比M>1时,曲率不影响换热能力,冷却效果则取决与气膜相对于型面的流动状态和与主流的掺混能力。     

尾迹对涡轮动叶气膜冷却影响的三维非定常数值模拟

采用数值计算的方法,对带有前导静叶的旋转涡轮动叶流场和气膜冷却效率进行了三维非定常数值模拟,研究了静叶非定常尾迹对涡轮动叶气膜孔周围流场及冷却效率的影响.结果表明,在不同的动、静叶相位,尾迹的存在改变了涡轮动叶入口来流的周向分布,对射流和主流的掺混流场产生了周期性的影响,使得压力面不同时刻的气膜冷却效率存在一定的波动,...     

全气膜覆盖掠叶片的几何成型与网格生成技术

详细描述了全尺寸的气膜冷却扭叶片的几何生成技术和复杂结构化网格生成技术,对于气膜冷却几何结构的生成.要遵循由基础到复杂、由粗到精的原则,得到基础的冷却部件后再进行详细的冷却布局划分.冷却腔的形成用片体切割要比直接生成实体更容易实现.给出了全结构化网格拓扑结构在气膜冷却结构中的详细划分过程,列出了结构化和非结构化网格对于气膜冷却计算的优点和缺点.网格的划分都遵循由底至项、逐层分割的方式,冷气柱部分的网格要在腔体划分基础上利用顶点网格块构造法生成.对于弯扭叶片而言,展向高度大致相近的冷却孔层要尽量切割到相同的层内,才不至于使网格划分线过分密集;由于几何结构制约性产生低质量网格的部分,通过调整网格数量占到整个网格总数的极少数,对于仿真计算没有影响.     

气冷涡轮级气热耦合非定常数值模拟

采用三维非定常气热耦合模拟的数值方法,对具有冷却结构的单级涡轮进行非定常流动和冷却性能进行研究,通过对非定常流场和固体温度场的分析来探讨冷气对叶片排内流场和固体温度场的影响,指出在非定常状态下,不同的动、静叶相对位置对应不同的气膜出流情况。上游周期性不稳定尾流会造成下游动叶片主流掺入气膜保护层,会造成气膜冷却效率降低。尾迹对叶片前缘的撞击引起瞬间的冲角增大,叶片气动负荷以及温度分布存在一定程度的波动,吸力面前缘受到的干扰更为明显。     

平板气膜冷却孔下游湍流场的试验研究

利用二维粒子图像测速（PIV）技术,在吹风比为0.5和1.0、雷诺数为480时,对平板直冷却孔和弯曲冷却孔下游湍流场的流动结构进行了测量,得到了中心截面及射流下游4个流向横截面上的平均速度、涡量分布以及烟雾显示照片,并分析了弯曲冷却孔通道对下游涡结构沿流向演化过程的影响.结果表明：冷却孔射流具有较低的射流轨迹,可以增强气膜的贴附效果,有利于提高冷却效率;弯曲冷却孔能为气膜提供较强的横向动量,使其具有较高的横向扩展能力,从而改善气膜的侧向覆盖效果.     

The effect of jet array arrangement on the flow characteristics of the outlet hole in short confined channels

This experimental study is part of the research program related to the aerodynamic characteristics of impingement in a confined channel. Experimental research on better understanding flow structure in confined channel with impingement cooling is rarely found in open literature. The main purposes of this project are (1) gaining greater insight into the structure of the impingement jet flow and flow in the outlet hole; (2) understanding the effect of impingement hole arrangement build up on the flow structure and aerodynamic parameters within holes and channels with different aspect ratios. The test models are two confined channels with three staggered circular jet holes, and a single large size outlet hole placed downstream of the jet plate. The structure parameters of these orifices are different. In this paper, detailed flow field in the outlet hole was measured with a straight five‐hole probe, and the discharge coefficient of outlet holes with different aspect ratios was also studied in each channel. Experimental data shows that the jet arrangement has little influence on the flow behavior of the outlet hole when the aspect ratio of the passage was 1, but it played an important role on the discharge coefficient. Distinctively different flow patterns were found in two models with the aspect ratios of 3 and 5, while the variation of the discharge coefficient showed a slight influence on impingement hole arrangement. © 2007 Wiley Periodicals, Inc. Heat Trans Asian Res, 37(1): 20–28, 2008; Published online in Wiley InterScience ( www.interscience.wiley.com ). DOI 10.1002/htj.20188     

不同叶顶结构对燃气透平动叶顶部气膜冷却性能的影响

对不同叶顶结构的GE-E3叶片的气膜冷却现象进行了数值研究,比较了三种不同的叶顶结构：平顶、凹槽顶和平顶开槽孔结构在叶顶部的流动和冷却现象,并分析了吹风比对这三种结构的冷却性能的影响。发现凹槽顶和平顶开槽孔在结构上具有相似性;在叶顶开槽后,既降低了射流动量,又降低了顶端泄漏流速,有助于提高冷却效果,同时由于凹槽顶的槽比开槽孔的槽大,冷却气体和燃气在槽内充分混合,使得凹槽顶结构具有最高的冷却效率值和最低的换热系数值,平顶开槽孔结构次之。