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.     

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.     

气膜孔堵塞对叶片吸力面气膜冷却的影响

为阐明热障涂层工艺造成的气膜孔堵塞对气膜冷却的影响机理,采用数值模拟方法研究了叶片吸力面在气膜孔堵塞比为0.2、0.5和0.8,吹风比为0.5、1.0、1.5和2.0时的气膜冷却效率变化.结果表明:堵塞比越大,气膜冷却效率下降幅度越明显,孔下游气膜覆盖面积越小;相比无堵塞情况,堵塞比为0.8时展向平均气膜冷却效率退化为...     

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.     

涡轮叶片表面全气膜冷却传热实验研究

对全气膜覆盖的涡轮导向叶片的表面进行了详细的传热实验研究,重点研究了不同质流比和不同雷诺数对当地气膜冷却效率和换热系数的影响.实验结果表明:质流比(冷气质量流量和主流质量流量的比值)的变化会显著地影响叶片表面温度场的分布,从而影响叶片表面的换热和冷却效率;在同一质流比下,雷诺数对气膜冷却效率的影响则相对较小.全气膜冷却能够有效地降低叶片的热负荷,该结果可作为在工程实际中的参考.     

气膜孔与肋的相对位置及通道截面形状对气膜孔流量系数的影响

本文基于航空发动机涡轮叶片的放大模型,研究了在同时带肋和气膜孔出流的内流通道中气膜孔与肋的相对位置以及通道截面形状对流量系数Cd的影响情况。实验在内流通道进口雷诺数Re为20000～80000、通道总出流比SR为0.30～0.60以及肋角为60°、120°的范围进行,分析了肋与气膜孔的相对位置及通道截面形状对气膜孔流量系数的影响情况,发现肋的存在明显改变了气膜孔的流量系数。由于肋所导致的回流区的影响,位于肋下游的气膜孔流量系数低于中间孔和肋上游孔,而通道截面的不同则影响了气膜孔里的雷诺数大小,从而影响了气膜孔的流量系数。本文的实验结果对于航空发动机涡轮叶片冷却结构设计具有参考价值。     

孔间距对缩放槽缝孔气膜冷却效率的影响

基于有限体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为0.4、0.8和1.6的情况下,数值研究了孔间距(P/D=3.0、3.5、4.0)对缩放槽缝孔气膜冷却效率的影响,对不同孔间距气膜冷却整体效果进行了对比分析。结果表明:孔间距较小时,在孔口附近及孔间区域发生强烈的气膜干扰,冷却气膜分布比较集中,在孔口下游近处冷却效率较高;随着孔间距的增大,气膜覆盖面积增加,孔口附近的冷却效率低于小孔距,各个孔沿展向的冷却效率也有所降低,在孔下游远处发生的气膜干涉较为明显;在低吹风比时,孔间距较小气膜孔的冷却效果最好,在高吹风比时,孔间距较大气膜孔对壁面的冷却效果与低吹风比相比有大幅度的改善。     

航空发动机涡轮叶片气膜冷却孔设计与制备技术研究进展

随着先进航空发动机对涡轮前燃气温度需求不断提升,涡轮叶片高效冷却设计技术成为亟待解决的瓶颈技术,而气膜孔冷却是涡轮叶片高效冷却设计的核心技术。本文基于航空发动机涡轮叶片采用耐高温复合材料与高效气膜冷却结构相结合的技术发展背景,综述国内外相关研究工作的进展,从涡轮叶片气膜孔的冷却机理、气膜孔的空间几何结构设计技术、气膜孔表面完整性制备技术等方面,深入总结分析涡轮叶片气膜冷却设计与制备技术领域取得的研究成果,重点论述了各国异型气膜冷却孔的设计与制备技术,并提出我国在该技术上存在的差距及未来研究重点。     

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。     

燃气轮机叶片气膜冷却研究进展

综述了近年来燃气轮机涡轮叶片气膜冷却技术的研究成果.介绍了气膜冷却的基本原理,总结了叶片端壁、顶部、前缘及尾缘区域气膜冷却的研究进展和气膜孔流量系数的研究状况,阐述了影响气膜冷却效果的各种因素及气膜冷却对气动损失的影响.最后指出将气膜冷却与其它涡轮叶片冷却技术相结合的复合冷却,应是未来涡轮叶片冷却技术的发展方向.     

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,...     

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。     

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。     

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.     

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.