重型燃气轮机透平第一级动叶气膜冷却特性数值模拟研究

采用Realizable k-ε湍流模型,并结合Simple算法和有限体积法对三维定常不可压缩N-S方程进行离散,对某重型燃气轮机透平第一级动叶在不同吹风比和主流湍流度条件下的气膜冷却效率进行了数值模拟。结果表明:气膜冷却能够有效地降低叶片表面的温度,但叶片前缘吹风比的改变对冷却效果的影响不是很大,在前缘滞止线两侧仍然存在较大的高温区;在压力面侧和吸力面侧,随着吹风比的增大,沿叶片展向平均冷却效率分布都得到了提高;低吹风比时,吸力面靠前缘区域孔排中的冷却孔保持单孔冷却特点,孔间区域冷却效果较差;主流湍流度对气膜冷却效果产生了明显的影响,但影响趋势因不同吹风比而各不相同,其对冷却射流的影响主要集中在气膜孔下游扩散上。     

开槽气膜孔结构对气膜冷却效果的影响研究

在不同吹气比时,研究了几种带有横向槽的离散孔气膜冷却结构的速度矢量分布和气膜冷却效率,分析了具有相同开槽深度的不同孔口凹槽结构的作用效果.结果表明:在低吹风比时,斜槽具有一定的冷却优势,且斜槽出口前倾角的角度对斜槽冷却效率的影响不大.在较高吹风比时,窄槽的冷却优势明显,其次是出口前倾角较小的斜槽,而宽槽的冷却效果较差....     

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。     

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...     

利用新型孔改善气膜冷却效果的数值研究

在不同吹风比下,对新型缩放槽缝孔和新型月牙孔气膜冷却结构的流动过程和气膜冷却效率进行了数值研究,并与常规圆柱孔进行了对比,以揭示新型孔改善气膜冷却效果的机理.在所研究吹风比的范围内,两种新型孔的冷却效果都好于圆柱孔,且其冷却效率曲线上移的幅度与吹风比成正比关系.高吹风比时,缩放槽缝孔在气膜孔下游中心线x方向上的冷却效率...     

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.     

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。     

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.     

气膜孔堵塞对叶片吸力面换热性能影响

为研究热障涂层喷涂过程造成的气膜孔堵塞对叶片吸力面换热特性的影响,利用数值模拟方法分析了叶片吸力面气膜孔堵塞比为0.2~0.8时传热系数的变化规律。将吹风比作为控制冷热流体流量比例的气动参数,在其变化范围为0.5~2.0情况下,详细分析了气膜孔堵塞对孔下游肾形涡、叶片壁面传热系数二维分布和展向平均传热系数的影响。结果表明：在吹风比相同的情况下,堵塞比越大,传热系数增幅越大;堵塞使肾形涡尺度和强度显著增大,导致壁面传热系数增大,吹风比越大,这种效应越明显;相比于无堵塞情况,堵塞比为0.2时传热系数基本不变,堵塞比为0.5时传热系数增大5%~7.2%,堵塞比为0.8时传热系数增大9%~12%。     

不同吹风比下双出口孔射流气膜冷却数值模拟计算

为了获得吹风比对新型气膜冷却孔冷却效率的影响规律,利用Fluent软件求解Navier-Stokes方程,对吹风比分别为0.5、1.0、1.5和2.0时单入口-双出口孔射流冷却效率进行了数值模拟计算,得到了不同吹风比下的流场和冷却效率.结果表明：吹风比对冷却效率有很大影响;随着吹风比的提高,不同次孔方位角下的冷却效率变化规律也不相同;当次孔方位角γ=30°时,吹风比为1.0时的冷却效率最高;当γ=45°时,冷却效率随着吹风比提高而提高;当γ=60°时,冷却效率随着吹风比提高而降低;在研究高吹风比对气膜冷却效率的影响时,γ=45°最佳.     

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。     

冲角和孔排间距对端壁气膜冷却效率的影响

燃气轮机在变工况运转时透平叶栅和级的特性对燃机总体性能影响极大,而叶栅端壁气膜冷却效率是关键因素。为了提高端壁气膜冷却效率,通过优化气膜孔间距排列的方法,在叶栅端壁20%、50%、90%轴向弦长处和距前缘-10%轴向弦长端壁处布置单排带复合角度的圆柱形气膜冷却孔,运用CFD(计算流体动力学)方法对冲角(10°、0°、-10°)在不同吹风比(1、1.5、2)条件下端壁气膜冷却效率进行对比分析。结果表明:采用气膜孔非等距排列方式能有效缓解因横向压力梯度变化引起的马蹄涡在压力侧的阻隔作用,压力侧冷却效率较高;高吹风比的冷却射流会出现抛射冷却,能有效抑制冷却射流脱离壁面,壁面平均冷却效率提高;主流正冲角有利于提高端壁吸力侧气膜冷却效率,压力侧变化不大。     

Influence of Trenched Shaped Holes on Turbine Blade Leading Edge Film Cooling

Computational results are presented for a row of coolant injection holes on each side of a high-pressure turbine blade near the leading edge. Seven hole configurations have been used to show the effect of various diffusion shaped holes and their trenching on film cooling effectiveness: (1) cylindrical film hole; (2) forward diffused film hole; (3) trenched forward diffused film hole; (4) conically flared film hole; (5) trenched conically flared film hole; (6) laterally diffused film hole; and (7) trenched laterally diffused film hole. Computational solutions of the steady, Reynolds-averaged Navier–Stokes equations are obtained using a finite-volume method. Results show that the main effect of trenching is the reduction of jet lifting off from the blade surface and so the prevention of sudden lowering of cooling effectiveness after the injection location. Moreover, hole trenching has more effect on film cooling flow on the suction side than on the pressure side. Also, the trenched laterally diffused shaped hole has the highest laterally averaged effectiveness on both the suction side and the pressure side of the blade.     

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。     

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。     

涡轮叶片综合冷却效率实验的缩尺效应

基于简化叶片的传热实验,研究缩尺模化对综合冷却效率的影响,得到缩尺效应随主流雷诺数和流量比的变化情况,以及毕渥数和热障涂层厚度对综合冷效缩尺效应的影响规律。采用一维传热模型,量化分析了缩尺模化对综合冷却效率的影响,并在实验中得到验证。结果表明：缩尺比例为1.5时,缩尺叶片综合冷却效率相对基准叶片增加10%,且增幅随主流雷诺数和流量比增加;基准叶片导热系数由17 W/(m·K)增加至50 W/(m·K),缩尺叶片平均综合冷却效率差异由13.71%降至0.34%;热胀涂层厚度等比例缩尺可减小缩尺效应的影响,使缩尺叶片综合冷却效率差异由13.07%降至2.98%。