燃气轮机透平叶片传热和冷却研究：内部冷却

随着燃气轮机透平进口温度的不断提高,其换热与冷却问题已然成为现代高性能燃气轮机研发中亟待解决的核心关键技术之一.透平叶片的冷却可以分为内部冷却和外部冷却,结合作者近年的研究工作,详细综述了燃气轮机透平叶片内部换热与冷却问题的研究现状与进展,着重介绍了叶片内部蛇形通道冷却、叶片内部冲击冷却和前缘的旋流冷却及尾缘柱肋冷却,指出了它们各自在相关方面需要进一步开展的工作.其中：在蛇形通道冷却方面,需要进一步研究旋转状态下蛇形通道内流动与换热特性、发展高性能的扰流装置及通道弯头结构、设计新颖高效的叶顶内部冷却结构、获得带气膜孔或冲击孔的蛇形通道内的换热与冷却特性;在叶片前缘内部冲击冷却方面,需要研究不同曲率面上的冲击冷却换热特性、旋转条件下的冲击冷却以及冲击气膜复合冷却特性;在旋流冷却方面,需要对其结构参数的影响开展进一步的广泛研究,并开展旋转状态下旋流冷却特性的研究;在尾缘柱肋冷却方面,需要进一步研究复杂流场下柱肋阵列通道中的流动换热与众敏感因子之间的关系.     

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.     

静叶前缘冲击-凸起扰流结构复合冷却的数值研究

为了改善燃气透平叶片冲击-凸起扰流结构流动与换热特性,构建了3种复合冷却叶片：无凸起结构V1,分别在前缘与冲击孔错列布置两种泪滴型扰流柱V2和V3,采用SST k-omega湍流模型,在8种不同质量流量比(MFR)工况下分析3种叶片的流动与换热特性。结果表明：针对C3X叶型布置的泪滴型扰流柱能有效改善叶片的换热特性;低MFR工况下,V3结构性能更优,冷却效率可提高9.29%;增加MFR可以同时改善流动与换热特性,当MFR从0.25%增加到1.00%时,3种叶片的压力损失系数先增大后减小;随着MFR从0.25%增加到2.00%,V2和V3结构冷却效率的提高率逐渐降低;在MFR≥1.00%时,V3结构的流动与换热特性均优于V2。     

燃气轮机透平叶片传热和冷却研究:端壁冷却

在现代低展弦比燃气透平设计中,端壁的换热与冷却问题随着透平进口温度的不断提高已经变得至关重要。综述了国内外有关透平端壁气动、换热与冷却方面的研究进展,特别展示了端壁冷却研究领域一些最新的典型研究成果,并基于目前的研究发展趋势指出:在端壁的换热与冷却技术研究领域,新型气膜孔和端壁的改型设计将得到进一步的研究;兼顾端壁换热冷却和气动性能的多目标多学科优化问题将是一个具有挑战性的研究重点;此外端壁的复合冷却技术及其相关的流热耦合换热研究将为端壁的高效冷却设计提供重要支撑。     

旋转状态下燃气涡轮叶片内部冷却的研究进展

在现代高性能燃气涡轮发动机中,随着涡轮前燃气温度的不断提高,旋转涡轮叶片的冷却问题日益受到重视。在众多的冷却技术中,内部冷却具有明显的优势和较强的应用前景。综述了近年来旋转状态下燃气涡轮叶片内部冷却技术的研究成果,总结了光滑壁面旋转对流场和传热的影响、旋转对冲击冷却影响以及旋转扰流式肋片冷却介质通道传热的研究现状,阐述了旋转状态下内部冷却和气膜冷却相互影响的研究情况。最后指出进一步优化内流通道结构,研究旋转对扰流柱通道流动及换热的影响以及在旋转状态下深入探讨内部流动与外部气膜冷却相互影响的机理是今后工作的重点。     

基于遗传算法的燃气轮机叶片内部柱肋蒸汽冷却通道的优化分析

针对叶片尾缘内部柱肋冷却方式进行数值仿真和优化分析。采用CFX软件进行数值仿真计算,建立圆形柱肋、水滴形柱肋和正方形柱肋3种柱肋形状下,不同柱肋间距的矩形通道模型,验证数值模型的正确性以及网格无关性。分析了顺排和叉排的排列方式下,柱肋形状和柱肋间距对下底面努塞尔数以及整个通道内压力损失的影响,最后通过MATLAB的遗传算法对仿真结果进行优化。研究表明：柱肋模型中,横向和纵向柱肋间距最小时,换热效果最佳,压力损失最大;在顺排和叉排中,正方形柱肋对通道的换热强度的提升效果最明显,圆形柱肋提升效果最小。     

具有新型双层壁结构的透平叶片流热耦合研究

多通道壁面射流冷却结构是一种新型的燃气透平动叶内部冷却结构,具有消耗冷气少、压力损失小等优点。本文构建了简化的壁面射流冷却叶片与GE-E3冷却结构叶片模型,采用流热耦合方法对比研究了其流动与换热特性。结果表明,壁面射流冷却通道内的狭小空间抑制了横流的产生,冷气在冷却通道中形成了流向涡;前缘冷气流道中的大量冷气流经吸力侧冷却区,并从出口压力更小、面积更大的尾缘排出,使得前缘气膜孔出流的冷气流量和动量较小,冷气在叶片外表面的气膜覆盖特性更好;离心力的影响导致前缘冷气流道中叶根处的压力较低,叶根附近的气膜孔出现燃气主流入侵现象。相比于GE-E3叶片,壁面射流冷却叶片的前缘温度和温度梯度都较小,因此多通道壁面射流冷却在前缘具有更优异的冷却特性。     

燃气轮机叶片内部直通道的肋片结构优化

提出了一种新型燃机透平叶片带肋直通道结构优化策略,采用ANSYS Workbench优化设计平台,应用Kriging代理模型和遗传算法对燃机叶片内宽高比为4、肋片角度为45°的带肋直通道进行了优化计算。结果表明:在带肋直通道切除部分肋片效率为负的肋片的新型结构可实现强化换热且降低流阻;优化后的肋片通道较未优化的通道,换热性能因子提升2. 9%,摩擦因子比降低可达3. 8%;通过寻优计算,获得了宽高比为4,肋片倾斜角度45°燃机叶片内带肋直通道最优结构参数。     

基于流热耦合的燃气轮机透平叶顶冷却设计

燃气轮机透平叶顶区域存在复杂的流动和换热问题,承受很高的热负荷。为了降低透平动叶叶顶温度,在透平叶顶现有结构的基础上提出气膜冷却和气膜+内冷通道冷却两种叶顶冷却方案,并通过流热耦合计算分析冷却升级前后叶顶区域的换热和流动特性。研究发现：叶顶气膜冷却方案可有效降低叶顶温度,特别是叶顶前缘至中弦区域;而气膜＋内冷通道冷却方案基于外部气膜冷却,结合内部冷却通道设计,可进一步降低叶顶尾缘的温度;与原型叶片相比,气膜+内部冷气通道的复合冷却设计可以使叶顶尾缘最高温度降低24 K。     

扰流柱对间断交叉肋流动换热特性的影响研究

为了探究扰流柱对间断交叉肋通道流动与换热特性的影响,针对不同扰流柱数量和排布位置建立了不同的交叉肋模型,并通过数值模拟的方法,计算了各模型的阻力系数比、强化换热系数以及综合热效率3个性能指标的变化情况。研究结果表明：随着扰流柱数量的增大,阻力系数比和强化换热系数逐渐增大,而综合热效率不断下降;在进口雷诺数为20 000时,14柱模型与32柱模型相比,阻力系数比升高了15.4%,强化换热系数升高了32%,综合热效率提高了2.6%;将相同数量的扰流柱排布在通道内的不同位置对综合热效率的影响并不明显。     

基于流体网络法的透平叶片冷却内通道网络模型与分析

采用流体网络法研究分析了某E3发动机高压涡轮动叶的冷却结构,通过合理简化,并选用合适的元件模型,构建了冷却流路的流体网络;对高压涡轮流场进行了三维数值计算,确定了叶片冷却流路流体网络计算所需的边界条件;根据实验关联式,确定损失、传热等相关系数,并根据冷却结构特点自定义了部分特性曲线。将流体网络计算结果与NASA文献中的数据进行了比较,表明本文方法能较好地预测各流路的流量、温度、压力等参数,能够用于叶片冷却结构的性能分析以及叶片冷却结构的初步设计。     

内部通道肋片结构对Mark Ⅱ叶片冷却性能影响的降维模型研究

一维冷却通道气热耦合计算是分层涡轮叶片冷却结构设计的重要方法。发展了以管道网络算法为核心的内部冷却特性计算程序,并与三维传热计算进行了耦合。通过与MarkⅡ叶片特定实验工况下的结果进行对比,验证了方法的有效性。此外,进一步将带肋结构流道传热特性相关经验公式集总在一维气热耦合算法中,分析了带肋通道改型的MarkⅡ叶片冷却性能。结果显示,带肋结构相比光滑流道能显著提升换热性能,在中径截面处较原方案温度下降15～30 K。     

燃气透平叶片尾缘内部冷却通道流动与换热特性研究

针对更为接近于真实叶片尾缘段的楔形内部冷却通道的流动与换热特性开展了数值研究,分析了不同冷却工质应用在楔形冷却通道中的性能表现以及不同扰流柱结构、柱肋组合冷却结构对尾缘内部冷却通道中的热力特性的影响.研究表明:区别于矩形内部冷却通道,楔形通道中壁面传热系数沿流动方向呈现逐渐升高的趋势;冷却工质对换热性能影响明显,蒸汽的...     

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。     

燃气涡轮叶片内部冷却结构的设计与实验

通过某型号涡轮气冷叶片的设计与验证,建立了一种简化的气冷叶片流热解耦设计模拟方法,结合对流冷却、冲击冷却的实验结果,通过调整冷气参数,达到控制叶片表面温度的要求.在平面叶栅热风洞中,通过调整尾流板角度,控制叶片表面流动状态,满足叶栅流动的周期性条件,保证了热测量的正确性.完成了气冷叶片的设计、分析与验证的系列工作,为今后研制气冷叶片建立了扎实基础.     

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。     

透平冷却空气量计算方法综述

燃气轮机效率提高的主要途径是提高透平进口温度。随着透平进口温度的不断提高,对冷却空气量的需求也逐渐增多,为保证透平安全可靠运行,透平冷却空气量的计算就显得尤为重要。本文对比了国内几篇文献中针对V94.3燃气轮机透平冷却空气量的估算方法,同时介绍了国内外其他研究人员利用流体网络法的研究成果。通过对比分析可知,采用叶片冷却模型以及从燃气轮机功率角度估测冷却空气量的方法适用于工程应用。流体网络法有严谨的理论支持,可针对空气系统具体部件进行计算分析。     

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.