涡轮叶片冷却数值模拟进展

本文概括总结了近年涡轮叶片冷却数值模拟的研究成果：对通道内部对流，总结了哥氏力和浮升力对Nu数和温度分布规律的影响；对于气膜冷却，总结了不同紊流模型情况下，叶片表面的Nu数分布以及各种紊流模型在模拟流动和换热方面的优劣；对于冲击冷却，总结了冲击各种表面情况下，滞止和平均Nu数分布规律和冷却效率对冲击距离设计的影响。了解了涡轮空冷叶片的数值模拟的现状，为今后空冷叶片的数值模拟提供一定的指导。     

大型燃气涡轮叶片冷却技术

近年来,随着大型燃气轮机性能的不断提高,为进一步减少有效气体的消耗,提出了汽雾两相流冷却方案,即涡轮叶片由空气冷却逐渐转向空气和蒸汽双工质冷却,现已日益成为研究的热点.大量研究表明,汽雾冷却具有冷却快、冷效高、流阻小和结构简单等优点,将在下一代高性能燃气轮机的涡轮叶片冷却中发挥重要作用.通过对带冲击气膜结构冷却的数值模拟,平均冷却效率明显提高,且低温区明显延长.     

气膜孔形状对涡轮叶片气膜冷却影响的研究进展

气膜冷却是航空发动机叶片上采用的冷却方式之一,气膜孔结构对冷却效率影响非常显著。通过对不同形状孔射流气膜冷却回顾,指出了圆柱孔射流冷却的有害涡流动结构。论述了几何结构和气动参数对气膜冷却特性的影响,提出了一种高效气膜冷却孔结构——双出口气膜孔。利用商业软件对双出口射流的冷却效率进行了数值模拟。结果表明,双出口孔射流时,形成的涡结构有利于冷气贴附在壁面。最后给出了圆柱孔和双出口孔射流冷却效率对比结果,无论在平板上还是在叶片前缘,双出口孔射流冷却效率都明显高于圆柱孔射流冷却效率。     

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。     

带冷却的涡轮叶片温度场耦合计算工程方法研究

集成涡轮叶片内部空气系统计算程序、表面外换热计算程序及壁温计算程序为一体,实现了带气膜冷却涡轮叶片内外换热及壁面导热的耦合计算,可以快速进行涡轮叶片温度场分布计算并为涡轮叶片内外部冷却系统优化设计奠定了基础.     

解析法计算涡轮叶片喉道尺寸

本文介绍了用解析法计算涡轮叶片喉道尺寸的方法和步骤。     

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.     

基于逆向工程的涡轮冷却叶片三维建模及数值模拟

针对典型涡轮冷却叶片,利用工业CT扫描、3D激光扫描、相关点云处理软件和三维建模软件,重构三维模型,进行高质量的网格划分,合理设置边界条件,对涡轮一级动叶进行气热耦合数值模拟分析.结果 表明:该一级动叶叶身温度分布均匀,最高温度约935 qC,低于材料可承受的温度,出现在前缘叶顶处,为涡轮叶片冷却结构的优化设计提供参考...     

航空发动机涡轮叶片冷却技术综述

本文综述了当前航空发动机涡轮叶片冷却技术的研究情况,着重介绍了气膜冷却、涡轮叶片内流冷却技术和气膜孔流量系数的研究进展,指出了内流冷却和外部气膜冷却相互影响,在冷却结构设计中应予以考虑。     

某燃气轮机涡轮叶片复合冷却结构优化设计

为了提高涡轮叶片设计效率,搭建了基于一维管网理论的iSIGHT优化设计平台,获得了叶片的优化结构,并对其进行三维仿真计算分析。研究表明：优化前后叶片的气动性能变化不大,总压损失仅在端壁处略有差别;优化后涡轮叶片的壁面温度分布更加均匀,壁面的最高温度降低,温度梯度减小,最大相对温差降低10%左右;在降低叶片热应力的同时相对冷却效率提高1.0%。     

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。     

涡轮叶片冷却U型通道设计

针对涡轮叶片在以U型通道冷却时,会因回流区而产生局部高温的现象,分别在U型通道上增加渐斜隔板并倒角、通道头尾加渐斜隔板与倒角来改善其局部高温.以定表面温度的方式建立模型,采用计算流体力学方法模拟其传热效率的改善及冷却程度,计算结果表明以渐斜隔板并倒角的方式对局部高温改善的效果最好.     

大焓降静叶片设计思想的低速实验验证

在低速风洞上,采用扇形叶栅试验模型,试验验证了哈汽公司低展弦比大焓降静叶片的设计思想.试验结果表明,哈汽公司的设计理念是:沿全叶高采用类似“鱼头”的流线型叶型前缘,在不存在横向二次流动的叶展中部采用前加载叶型,在横向二次流强烈的叶栅两端采用后加载叶型,同时将两类叶型沿叶高采用尾缘正弯积迭.这样设计得到的大焓降静叶片气动性能优良,沿轴向流动损失呈直线型均匀增长,并对气流冲角有较强的适应性.     

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.     

涡轮第二级导叶冷却结构设计研究

以某涡轮第二级导叶为研究对象,结合参数化特征建模技术研究设计冷却结构,并进行气热耦合分析,研究结果表明:低压导叶外部各截面上的温度分布均匀,尤其是在冲击冷却的部位,温度明显低于尾缘区域,而且冲击冷却在压力面上的冷却效果要好于吸力面,冷却效果理想.低压导叶内部温度梯度较大,整个叶片内壁面由冲击射流和横向流动作用使得冷却充分均匀.     

涡轮第二级动叶冷却结构设计研究

以某涡轮第二级动叶为研究对象,结合参数化特征建模技术研究设计冷却结构,并研究了温度分布,结果表明:叶片的改型对于流道内的温度分布影响很小,而叶片内部温度的分布有一定变化.在叶片后腔所在区域底部截面上,温度下降了10 K左右,在中部截面和顶部截面上冷却效果没有明显改善.     

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.     

基于响应面模型涡轮叶片冷却性能的数值研究

为了给我国自主研发涡轮叶片提供理论基础,基于试验设计和响应面模型对某型叶片的冷却性能进行了数值研究。对某型涡轮叶片的设计参数进行了试验设计,数值研究了主流出口压力、主流进出口压比、冷气与主流温度比及流量比对叶片表面的无量纲温度分布的影响规律,并根据响应面模型拟合得到了叶片平均无量纲温度的经验公式。结果表明:根据试验设计和响应面模型拟合得到的叶片平均无量纲温度的经验公式有较高的精度;在设计参数范围内,涡轮叶片的平均无量纲温度随着主流出口压力(120~140 kPa)和冷气与主流温度比(0.6~0.7)的增大分别提高了0.57%和2.81%,随着主流进出口压比(1.3~1.5)和冷气与主流流量比(3~8)的增大分别降低了1.14%和3.68%。     

燃机透平叶片气膜冷却特性研究

采用存在源项的叶栅三维黏性流数值方法计算与分析了存在气膜射流的燃气侧的流动与换热特性,确定了吹气比、来流湍流度、气膜孔展向间距与展向射流角等因素对气膜有效度的影响,并分析了其机理.     

不同安装角下透平静叶气膜冷却流动特性的试验研究

在直流式低速风洞试验室内,采用粒子图像测速技术（PIV）对带6排气膜冷却孔的透平静叶在不同吹风比M和不同叶片安装角口下的流场结构进行了测量,并对流场速度和湍动能进行了分析．结果表明：吸力面的速度梯度明显大于压力面,并且随着叶片安装角的减小和吹风比的增大,速度梯度逐渐变大;安装角对气膜的贴壁性有影响,当β=70°时,气膜的贴壁性最好,且吸力面的贴壁性强于压力面;湍动能的最大值位于冷气发生弯曲的上部,即主流与射流掺混的边界;随着安装角的减小,在压力面下游远场出现的湍动能集中区的脉动程度逐渐减弱,当β=70°时达到最小,随着安装角的再度减小,该湍动能集中区在吸力面下游出现并逐渐增大．