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。     

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。     

边界元法在气冷涡轮叶栅气热耦合计算中的应用

将边界元计算方法应用到三维N-S方程求解程序中,流体部分采用有限差分法求解N-S方程,边界元法求解固体区域热传导方程。开发气热耦合计算程序对NASA-MarkII高压气冷涡轮叶栅热环境进行气热耦合分析。利用边界元法特有的优势(降维、解析与离散相结合的特点),避免了固体区域的网格生成和内部节点求解工作,提高了计算精度。结果表明,耦合计算程序能够高效、准确求解多场的气热耦合问题,计算结果与实验结果吻合的较好,二者平均误差为3%。     

舰船燃气轮机高压涡轮动叶多维热耦合设计方法

针对舰船燃气轮机复杂高效冷却叶片设计,基于压力修正算法建立冷却叶片一维管网设计方法;通过快速求解可压缩边界层微分方程获得叶片外换热边界,基于参数化的叶片网格生成方法,采用全隐式有限体积的固体导热求解方法,构建了冷却叶片的耦合传热模型,开发了耦合传热计算程序。对某高压涡轮动叶进行多维热耦合设计,确定冷却流路及冷气分布,通过三维气热耦合计算验证了设计方案的可行性,通过对比分析验证了多维热耦合设计方法对主要流通单元的流量、压力误差小于5%,具备较高的工程应用价值。     

燃气涡轮静叶冷却结构设计流程及分析

为了快速设计一套涡轮静叶的冷却结构,采用单元设计法、管网计算、三维导热计算方法对某型涡轮第一级静叶进行内部冷却结构设计。设计结果表明:管网计算设计得到第一级静叶冷却结构的实际冷气量为7.28 g/s,略小于设计最大值7.8 g/s。最大无量纲壁温为0.98,小于设计允许的最大无量纲壁温1;三维温度场计算表明,叶片表面平均无量纲温度0.876,冷却效率为0.530。     

带有热障涂层的涡轮叶片前缘气热耦合数值研究

采用气热耦合的数值计算方法以及考虑转捩的湍流模型,对采用热障涂层技术的某型气冷涡轮叶片前缘传热进行了数值研究.结果表明,由于热障涂层的高绝热性,热障涂层一方面大幅提高叶片的抗氧化和抗热腐蚀的能力,另一方面配合高效的冷却技术,可以降低金属叶片的工作温度和叶片内的温度梯度.     

涡轮导叶冷却结构设计及性能分析

按照涡轮传热分层设计流程,对某型燃气轮机高压涡轮导叶进行了冷却结构设计。利用管网设计方法快速得到符合设计要求的基本冷却结构,采用UG建模与自编程序相结合快速生成实体模型,并选取两种典型冷却方案进行全三维气热耦合计算。计算结果表明：两种冷却方案总冷气量基本相同时,前腔冷气流量更大的方案2满足设计要求,其前腔无量纲流量为0.052 7,后腔无量纲流量为0.049 4,叶片表面无量纲平均温度为0.666 7,无量纲最大温度为0.737 1;增大吸力面“簸箕”形状气膜孔的冷气流量,可以有效降低吸力面中后部高温区域的温度;利用管网设计可以快速搜寻合理的冷却结构方案,该设计方法显著地缩短了设计周期。     

涡轮叶片内流冷却通道中压力系数的研究

本文根据相似理论,采用几何放大的模型,在流动相似的条件下,详细研究了涡轮叶片内流冷却通道在同时带肋和气膜孔出流的情况下,各流动参数、几何参数对压力系数的影响。实验在内流通道进口雷诺数为20000-80000,通道总出流比为0.3,0.45和0.6的范围内,肋高/宽比分别为1.0和2.0,肋角度分别为45°,60°,90°和120°,不同的肋与气膜孔相对位置,以及不同的通道截面形状的条件下进行。结果显示,同时带肋和气膜孔出流的内流通道中压力系数受气膜孔出流的影响很大,肋的存在也改变了内流通道的流动结构,影响了压力系数的分布,此外,通道的截面形状也是压力系数的重要影响因素之一。文章的结果对于涡轮叶片内流冷却通道的设计具有参考意义。     

涡轮叶栅三维气热耦合数值模拟

本文借助数值模拟技术,通过气动热分析耦合计算研究了某型航空用涡轮第二级静叶在绝热及实心叶片耦合换热情况下的流道温度场分布,并分析了流场结构,特别是对叶片温度场分布结果进行了分析。通过对三维计算结果的分析表明,耦合计算得到的流场温度场分布更符合实际。耦合与非耦合计算的差别主要体现在温度场的不同上,进而导致了马赫数、压力场、波系及临界流量的不同。因此在气冷涡轮设计中使用多场耦合技术进行数值模拟是非常必要的。     

涡轮导向叶栅内流场结构的数值研究

为了详细研究涡轮叶栅的气动特性，深入了解涡轮叶栅流道内的气体流动，对某型涡轮导向叶栅内的流场结构进行了数值模拟。结果表明，对本文研究的叶片弯曲方式，叶片的弯曲能够影响通道涡的位置，但采用弯叶片提高叶栅效率主要是通过降低壁角涡的损失。     

旋转气冷涡轮流场的数值模拟

应用数值计算的方法,对采用气膜冷却的涡轮叶片在静止和旋转状态下的流场进行数值模拟,研究涡轮叶片在静止和旋转状态下冷却射流和主流的掺混流场结构.结果表明:涡轮叶片压力面极限流线在静止和旋转两种工况下的区别比较明显.旋转使得马蹄涡的尺度有所加强.压力面和吸力面侧都存在明显的反向涡对结构;在吸力面,反向涡对的对称性比压力面的好;反向涡对随着下游距离的增大逐渐减弱,同时旋转使得掺混流场的轨迹有向叶片径向偏转的趋势.旋转工况下涡轮压力面侧反向涡对的衰减速度和程度变化明显,吸力面侧涡对的涡心位置更靠近叶片壁面,涡的影响区域也较小.     

燃气透平冷却空气量及变工况估值计算的研究

根据大型发电燃气轮机的结构和性能资料,对西门子V94.3燃气轮机冷却空气量的计算方法进行了研究。从燃气透平叶片冷却方式和机理入手,得到燃机冷却空气量的计算模型。该方法简单易于理解,计算精度满足实际工程分析需要。     

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。     

燃气轮机高温叶片内部冷却技术概述

综述了燃气轮机典型的内部冷却结构和设计手段.通过文献分析,提出内部冷却典型强化换热手段包括带肋通道冷却、扰流柱冷却和冲击冷却,重要设计手段包括一维管网和三维数值优化.管网计算基于实验总结的经验公式,计算效率高,关键在于动量方程的求解算法;三维数值优化可以降低设计对人工经验的依赖,关键在于合理选择优化目标和优化算法.分析表明,旋流等新的强化传热形式、微型冷却等新的叶片冷却模式、旋转和真实通道几何对内部冷却详细传热和流场的影响都将得到进一步研究,叶片设计技术将由人工经验性的设计逐渐向计算机自动化方向发展.     

考虑气体压缩性的液力透平内气液两相流场分析

为研究在气液两相条件下液力透平内部的流动规律,选择比转速为55.7的单级单吸离心泵反转作液力透平(Pumps as Turbines,PAT),在考虑气体可压缩的基础上对该模型在不同流量、不同含气率下进行数值计算。分析含气率对液力透平外特性和液力透平各过流部件内流场的影响规律,总结不同工况下液力透平内气液两相流动规律。研究发现:随着含气率的增大,液力透平的效率和功率逐渐减小、扬程逐渐增加,气体的存在对液力透平效率影响较大;液力透平叶片进口有明显的旋涡,随着流量和含气率的增大,混合介质的相对速度均增加;含气率从液力透平进口到出口逐渐增大,叶片背面的含气率要比工作面大,过流部件内的气体分布不对称,随着含气率的变大,气体分布的均匀性变差。     

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.     

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。     

燃气轮机叶片内部扰流肋冷却方式研究进展

随着燃气透平转子进口温度的不断提高,燃气轮机叶片冷却日益重要。带有扰流肋的内部通道冷却是叶片冷却的一个重要部分。综述了内部扰流肋冷却的研究历程与研究现状,详细论述了静止状态下带肋内部通道的换热研究、旋转对带肋通道内换热的影响研究以及扰流肋与其他方式相结合的复合冷却研究。结论指出,在国内外静止状态下带肋通道内的换热研究已经很成熟,旋转对通道内流动与换热的影响是最近几年来的研究热点,而关于旋转状态下复合冷却方式的研究相对较少。优化旋转状态下内部肋结构和将内部扰流肋与其他冷却方式相结合的研究是今后的发展方向。     

船用燃气轮机动力涡轮可调导叶级的流场结构

基于耦合求解可压缩Favre平均Navier-Stokes方程及Menter的Baseline（BSL）双方程湍流模型．本文对一个考虑可调导叶设计的船用燃气轮机变几何动力涡轮进行了全流场的三维粘性数值模拟。计算结果表明,采用可调导叶技术,涡轮各级热力反动度发生了明显变化;可调导叶级的流动特性变化更显著影响变几何动力涡轮的气动性能;选取具有良好冲角适应性和跨音速性能的可调导叶是船用燃气轮机变几何动力涡轮气动设计的一个关键技术。由此,根据数值计算结果．重点分析可调导叶级的气动特性及其流场结构。