高压涡轮动叶气膜冷却的数值模拟

为研究旋转造成的非稳定性对高压涡轮动叶气膜冷却的影响,建立了3维涡轮叶栅通道模型,应用周期性边界条件数值模拟了不同转速下涡轮动叶表面气膜冷却效率和换热系数的分布,冷气进口与涡轮前总压比为1.07,温度比为0.5。转速增加,叶片前缘滞止线从压力面移向吸力面,气膜出流从吸力面移向压力面;压力面气膜冷却效率上升,换热系数下降;吸力面冷却效率先上升后降低;换热系数下降。与静止相比,旋转不稳定性增大了叶片表面气膜覆盖面积。     

燃气涡轮静叶表面气膜冷却效率实验研究

采用放大的燃气涡轮静叶模型,利用大尺度叶栅风洞进行实验,测量了涡轮静叶表面完全气膜覆盖下气膜冷却特性。风洞实验段由三个叶片组成,中间叶片为实验叶片,由有机玻璃制成。对叶片前腔和后腔表面换热情况分别进行实验,主要研究了不同主流雷诺数及不同质流比对气膜冷却效率影响。研究结果表明:气膜对前腔壁面冷却效果总体上优于后腔壁面,在叶片不同区域气膜冷却效率变化规律有所不同。     

壁冷叶片冲击射流孔的流动特性实验研究

用实验的方法对涡轮叶片壁面冲击冷却的流动特性进行了研究，并用直头五孔探针对冲击射流孔内的流场进行了详细的测量，着重研究了不同雷诺数和不同的通道高度比（通道高度与射流孔直径之比z／d）对射流孔内流动结构和流量系数的影响。实验结果表明：通道高度的变化会明显改变孔内的流场结构和孔的流量系数；而在同一通道高度下，雷诺数的改变对孔内流场影响相对较小。在射流孔内存在着漩涡结构，这有助于深入了解气膜冷却的内在机理。     

排尘孔涡轮冷却叶片叶顶流动与传热研究

涡轮叶片叶顶排尘孔用于清除冷气中掺杂的尘粒,以保证气膜孔和冲击孔的可靠工作,但排尘孔射流引起叶顶流动和传热问题。采用参数化方法建立有、无排尘孔涡轮冷却叶片几何模型,基于包含叶片主体、主燃气通道和三腔回流式内冷却通道的全局模型,采用流热耦合数值分析,开展排尘孔对涡轮冷却叶片叶顶流动与传热问题的初步研究。研究结果表明,对比有、无排尘孔叶片,排尘孔射流可降低叶顶平均温度约25 K;冷却通道对流换热作用和叶顶排尘孔射流可使叶顶平面降温400～600 K,冷却效果与冷却通道冷气流量和尘孔结构在叶顶位置相关;排尘孔叶顶射流对叶顶间隙高温燃气泄漏具有阻碍作用,可以提高叶片总压恢复系数约0.5%～1.5%,随着冷气流量的增大,这种作用增强;尘孔结构设计应兼顾射流对叶顶流动与传热的共同影响。     

二次流对冷却低压涡轮流场影响的数值研究

采用数值方法研究了冷气和封严气对低压涡轮内部流场的影响。在设计膨胀比下详细对比分析了冷气和封严气的流量变化对涡轮表面静压、叶栅通道马赫数、叶栅损失及流场结构的影响;计算结果表明：冷气流量增加,低压涡轮膨胀比增加,低压涡轮导叶和动叶表面载荷增加;导叶叶栅通道主流马赫数减小而转子的主流马赫数变化较小;冷气流量变化对导叶40%叶高以下区域、转子径向40%叶高以下和80%～90%叶高区域的总压恢复系数和能量损失系数影响较大。轮毂和机匣封严气呈束状进入转子叶栅通道且腔内封严气流动受旋转轮盘抽吸效应影响较大。     

非设计工况下叶片前缘气膜冷却作用的数值分析

基于冷气喷射模型的验证结果,对冲角分别为0°、15°和-15°三种条件下的叶片前缘3排孔气膜冷却特性进行了三维环形叶栅数值模拟。在吹风比等于1.0时,详细分析了叶片型面静压和气膜冷却效率的分布特征。分析结果表明,冲角的变化使叶片前缘滞止线位置发生偏移,且对叶片前缘静压差产生了很大的影响。相对冲角0°时的情况,当冲角为15°时,叶片吸力面冷却效果增强,压力面冷却效率值降低;当冲角为-15°时,吸力面侧冷却效果减弱,压力面侧冷却效率值升高。     

涡轮动叶表面气膜冷却换热实验研究

这里在大尺寸低速叶栅传热风洞中，对某型涡轮动叶表面有无气膜冷却的换热情况进行了详细的实验研究，实验结果表明，不同孔位出流的换热由于孔排下游表面来流速度及叶片表面曲率的不同而有着不同的规律，即主流雷诺数对叶片表面特别是压力面和前缘区域的换热系数比的影响较小，吹风比对换热系数影响较大，并且随气膜孔位置和来流雷诺数的变化而情况复杂。     

动叶片综合气膜冷却方式对涡轮气动性能的影响

文中计算模型选用某型燃气轮机涡轮的第一列动叶,通过中心差分格式对叶栅流场进行数值模拟。通过在前缘、尾缘、吸力面、压力面以及压力面上端壁附近开设冷气孔,在下端壁前缘附近开设冷气槽等方式对叶片进行综合冷却,分析了能量损失系数、冷却效率以及温度场的分布情况和其对透平的气动性能的影响。结果表明:喷射冷气后,能量损失系数与无冷气喷射时能量损失系数沿叶高分布趋势相同,端区损失略大,中部损失较低,喷射冷气后,顶部能量损失系数略高于根部。组合冷却条件下,叶片中部吸力面和压力面冷却效率都较高,压力面冷却效率基本不变;叶片根部压力面前缘冷却效率较低,吸力面则较高;在顶部情况与根部正好相反。吸力面喷射冷气时,在冷气孔列附近冷气可以很好地贴合叶片吸力面表面,对叶片吸力面进行冷却,压力面一侧在冷气孔列之后冷气很好地贴合在叶片表面,对叶片冷却效果比较理想。     

冷气掺混对涡轮叶栅气动损失影响的试验研究

对某型涡轮平面叶栅,在不同的主流雷诺数下,以多种喷射方式和不同的流量比喷射冷气,研究型面压力分布及出口气流场参数的变化。试验结果表明,冷气入射对叶片表面静压分布几乎没有影响,只对冷气孔位置附近压力产生影响,相对来说,压力面入射冷气导致的变化小于吸力面。随进口马赫数升高,在相同的冷气流量比下流动总压降低。然而,在相同的马赫数下,随着冷气流量比增大,压力面入射跟吸力面入射导致的总压变化规律不一样。     

气膜孔布局对涡轮端壁气热性能的影响

本文数值研究了在不同布局条件下,气膜孔吹风比和复合角对涡轮静叶端壁绝热冷却效率的影响。通过数值结果与实验数据的比较，验证了数值方法的可靠性。研究表明：端壁可以被划分为四个区域，不同区域之间的流动结构相差较大。其中Region 1受气膜孔射流吹风比影响较大，当气膜孔射流吹风比为1.0时，该区域的冷却面积达到最大；相比于Region 2,Region 3的流动具有更大的横向分量，因此复合角为30°的气膜孔在Region 2得到较高的冷却效率，而复合角为0°的气膜孔在Region 3得到较高的冷却效率。Region 4主流脱离端壁现象十分严重，主流会携带冷却射流离开壁面，因此，气膜孔吹风比对该区域的冷却效率没有影响。     

动叶片尾缘不同气膜冷却方式对涡轮气动性能的影响

计算模型选用某型燃气轮机透平的第一列动叶,通过中心差分格式对叶栅流场进行数值模拟。文中通过改变冷气喷射角度计算了多种不同的尾缘气膜冷却方案,分析了这些方案下,能量损失系数、冷却效率以及温度场的分布情况和其对透平的气动性能的影响。结果表明:在尾缘区域喷射冷气进行冷却时,冷气喷射方向与法线成80°时,由于冷气喷射方向接近主流流向,能量损失系数最低,但尾缘区域冷却效果不明显,摩擦因数较高,压力变化明显。在与法线成70°和75°喷射冷气时,能量损失系数也比较低,冷却效果比较明显,总体看来,与法线成70°喷射冷气时的气动效果和冷却效果都比较好。     

鳞片孔形状对冷却效率及流量系数的影响

为了研究鳞片孔气膜冷却特性,通过数值模拟的方法,阐述了不同鳞片孔直径D、鳞片孔深径比h/D、吹风比对冷却效率及流量系数的影响。主要获得以下结论:相同吹风比下,鳞片孔孔径的增大,能降低鳞片孔的流动阻力,更有利于提高流量系数及冷却效率。鳞片孔h/D对壁面气膜冷却效率及气膜覆盖分布影响不大,但是h/D较小的鳞片孔具有更高的流量系数。对于一定结构的鳞片孔而言,吹风比M越大,气膜冷却效率越高,气膜在壁面的展向覆盖增强到5D。     

低展弦比涡轮静叶栅叶片正弯曲作用的试验研究

对弯曲叶片研究中代表性的HIT涡轮静叶型重新开展了叶片弯曲对低展弦比涡轮静叶栅流场影响的试验研 究。测量了直叶片叶栅、+10°、+20°和+30°弯曲叶片叶栅的进、出口流场,分析了叶片弯曲对叶栅出口二次流、 总压损失和气流角的影响。结果表明:对该叶型叶栅,叶片正弯曲既不能大幅度降低叶栅二次流损失,也不能改 善叶栅出口气流角沿叶高的分布:叶栅出口二次流动、尾缘涡及壁角涡随叶片正弯曲角的增大而增强,而通道涡 强度和位置变化不大;该研究结果同以往有关文献的研究结果完全不同。     

冷气预旋诱导涡系重构气膜冷却机理研究

为了揭示不同进气腔配置诱导涡系重构对气膜冷却效果的影响,在圆柱形气膜孔的基础上研究了三种不同冷气腔结构以产生不同的进气预旋气膜冷却流动结构,并对三种冷气腔在吹风比分别为0.5、1.0、1.5、2.0的条件下进行了对比研究。结果表明:在低吹风比时,冷却气体出射动量小,三种进气方式的气膜冷却效率相当。随着吹风比的增加,进气预旋气膜冷却的优势逐渐显著。在吹风比为2.0时,原始进气冷却流体出射动量大且分布均匀,形成了强肾形涡,气膜冷却效率最低;第一种进气射流在孔上游形成一低动量区,该区域冷气与高温主流相互作用后绕开高动量区冷气射流后贴附壁面,在下游冷却效果明显;第二种进气冷却流体以单向旋涡的结构喷出,在下游形成一侧旋涡"压"着另一侧旋涡的流动形式,使被压旋涡中冷气更好地贴附壁面,射流侧向速度大,扩大了射流展向覆盖区域。相对于原始进气,第一种进气和第二种进气的平均绝热气膜效率,在吹风比为1.0时,分别提高了约10%和25%,在吹风比为1.5时,分别提高了约50%和550%。     

导向器叶片尾缘厚度对涡轮性能影响研究

某型低压涡轮导向器的冷却方式为"尾缘劈缝"冷却,叶片尾缘处的复杂结构降低了其制造精度。通过计算分析不同叶盆尾缘厚度D1和叶背尾缘厚度D2下的涡轮流场和性能,并与原型叶片计算结果进行了对比分析。研究结果表明:(1)尾缘厚度偏离原型叶片尾缘厚度,涡轮效率降低,涡轮效率的降低幅度与尾缘厚度的偏离程度成正比。(2)尾缘厚度的变化对涡轮功的影响较小。(3)尾缘厚度D1的变化对涡轮流量的影响较大,增大D1涡轮流量降低D2对涡轮流量的影响较小。     

叶冠齿顶间隙对涡轮气动性能的影响研究

通过数值方法对某二级带冠涡轮的流场进行研究,分析了齿顶间隙对涡轮气动性能的影响。研究结果表明:泄漏流与主流掺混后形成一个涡流区,改变了叶栅上半通道的流场结构;随着齿顶间隙的增加,涡轮的流量先快速增加后趋于平缓,涡轮的效率先快速减小后趋于平缓;同时发现不同工况下,涡轮的流量和效率的变化趋势相同。     

前缘凸脊倾斜气膜冷却效果

为了研究前缘凸脊结构对气膜冷却的影响规律,设计3种不同堵塞比的凸脊模型,研究气膜冷却效率随吹风比、堵塞比的变化规律,并运用数值模拟方法分析再附区域的流场分布。研究结果表明,与典型的圆柱形气膜孔相比,前缘凸脊的存在可以使气膜冷却效率提高130%以上;前缘凸脊在大吹风比下的作用更加明显;堵塞比B为0.21时气膜冷却效率最高;数值模拟结果与试验结果吻合得较好;在特定范围内,吹风比的增大或凸脊堵塞比的增大有利于提高气膜再附区域的展向覆盖,进而提高气膜冷却效率。     

前缘小叶片对高负荷扩压叶栅性能的影响

针对压气机叶栅角区流动易分离的特点,提出一种在叶栅前缘安装小叶片来抑制角区分离的新型流动控制方法。在利用叶栅试验数据确认数值模拟的可靠性后,对不同攻角下安装小叶片前后叶栅的流场特性进行了数值研究。结果表明:在-6°到9°攻角范围内小叶片改善了扩压叶栅的气动性能,使得总压损失减小,静压升增大。小叶片能使叶栅角区前缘分离点后移,角区分离线后的反流区面积减小,改善了角区流动;更多的流体汇聚到中间叶高,增强叶中部载荷,提高了叶栅的扩压能力。     

高压涡轮动叶吸力面气膜冷却特性研究

为了研究某航空发动机高压涡轮动叶吸力面的气膜冷却特性,通过数值模拟的方法,采用SST κ-ω湍流模型,分析了高压涡轮动叶在静止和旋转条件下,吸力面气膜冷却效率的影响规律.结果表明:在静止条件下,相同主流湍流度时吹风比对吸力面气膜冷却效率影响显著,冷却效率随着吹风比的增大而减小;在小吹风比下,气膜冷却效率随着主流湍流度的...     

轴向掠叶片对涡轮静叶栅流场气动及声学特性的影响喔

通过数值模拟计算了采用轴向前掠、后掠及径向三种不同叶片型式的涡轮静叶栅流场 ,并根据计算结果分析了各流场流动参数沿流向、径向的分布特点 ,以及轴向前掠涡轮叶栅降噪增效、轴向后掠叶片恶化涡轮静叶栅气动及噪声特性的根本原因