燃气轮机旋转状态下的动叶气膜冷却效果数值模拟研究

采用数值模拟的方法研究了旋转对叶片气膜冷却效果的影响,详细对比了不同吹风比下叶片在旋转和静止状态下的气膜冷却特性,并用平均气膜冷却效率和不均匀系数评估了气膜冷却效果。结果表明：在叶片压力面,叶片的旋转使得射流气体从气膜孔流出后法向动量增大,与主流掺混作用加强,从而使得叶片压力面气膜冷却效率值低于静止状态;在叶片吸力面,叶片旋转使得冷却气体流出后法向动量减小,能够更好地贴附在叶片表面向下游流动,使得旋转时叶片吸力面气膜冷却效率要优于静止状态,并且叶片后沿的平均气膜冷却效率较静止状态有显著提高;旋转状态下叶片表面的不均匀度系数要略大于静止时叶片表面不均匀度系数。     

涡轮端壁气膜冷却效果数值模拟

采用CFD方法在叶栅端壁21%,51%,81%轴向弦长和前缘上游9%轴向弦长端壁处布置4排圆柱形气膜冷却孔,选用标准κ-ε模型模拟分析端壁单一角度与复合角度射流的冷却效果。结果表明:复合角度射流优势在入射角α=30°时最明显,此时复合角度射流平均冷却效率比单一角度射流平均冷却效率增加16.4%;随着吹风比增加,射流孔附近冷却效率下降速度变慢;复合角度射流的引入会导致反向涡不对称,加强了气膜的贴壁性,更有利于汽膜冷却。     

孔型对平板气膜冷却效率影响的数值模拟

为了研究孔型对平板气膜冷却绝热效率(冷却效率)的影响,基于SSTk-ω紊流模型及Simple算法,采用有限体积法对控制方程进行离散。对不开槽姊妹孔(1个主孔和2个次孔)、开槽圆柱孔以及开槽姊妹孔3种不同孔型的平板气膜冷却效率进行数值模拟,得出吹风比分别为0.5,1.0,1.5,2.0时X/D=4截面的速度云图,以及不同孔型平板气膜的冷却效率。分析结果表明:随着吹风比的增大,3种孔型平板气膜的冷却效率降低;在低吹风比(M=0.5)时开槽姊妹孔平板气膜的平均冷却效率和覆盖区域最优;在高吹风比(M=2.0)时开槽圆柱孔平板气膜的平均冷却效率和覆盖区域最优。     

猫耳气膜孔冷却性能数值模拟

为了研究透平静叶不同位置处猫耳气膜孔的冷却性能,对7种猫耳气膜孔结构在吹风比为0.5、1.0、1.5和2.0时的冷却效率曲线进行分析。结果表明:前向角大小是影响猫耳气膜孔冷却性能的关键参数;随着吹风比的增大,静叶压力面靠近前缘的气膜孔纵向平均冷却效率有降低趋势;提高前向角起始位置会使下游中心线附近冷却效率增大,但纵向平均气膜冷却效率较低。     

双叉排气膜孔交互作用对气膜冷却效率影响

采用高精度红外热像仪测量了平板气膜冷却效率,比较了双叉排孔和单排孔气膜冷却效率,分析了孔间的相互作用,以及吹风比（M=0.65、1.00、1.50）和密度比（DR=1.0,1.5）对气膜冷却效率的影响;同时还采用数值计算方法比较了气膜冷却下的流场。结果表明：单排气膜孔冷却效率随着吹风比的增加而降低,但是双叉排气膜孔冷却效率大大提高,且随着吹风比的增加而增加,但是在展向气膜覆盖效果变差;增加密度比可以提高气膜冷却效率,但是双叉排孔和吹风比的影响相对密度比更大;双叉排孔相比于单排孔,冷却气流在孔下游形成了反肾形涡,较好抑制了气膜吹离。     

吹风比对燃汽轮机平板气膜冷却特性影响的实验研究

对不同吹风比条件下的典型单排孔冷却结构的平板气膜冷却特性进行了实验研究,对冷却孔下游的气膜冷却效率及换热系数分布规律进行了分析.实验在3个吹风比条件下进行,分别为0.5,1.0,1.5.实验中冷却孔直径的雷诺数ReD=13600.射流、主流的密度比通过温度控制保持在0.88.实验中采用热敏液晶技术用以获取冷却孔下游整个温度场分布信息,通过对实验数据进行分析,在吹风比0.5条件下冷却孔下游Y＜10区域取得最优冷却效果;吹风比1.0条件下的冷却效果优于吹风比1.5条件下的冷却效果.气膜冷却条件下的换热系数分布和其对应的冷却效率分布基本相同.     

凹槽带肋叶顶气膜冷却特性数值模拟

为了提高凹槽叶顶的气膜冷却效率,提出了一种凹槽带肋叶顶结构。通过数值模拟方法,研究了叶顶结构在不同吹风比、滑移壁面条件下冷却气体在凹槽腔内的流动状态和气膜冷却效率分布,揭示了凹槽带肋叶顶改善叶顶气膜冷却效率机理。结果表明:吹风比为0.5时,气膜孔附近冷却效率最高;吹风比为1.5时,凹槽内吸力面附近冷却效率最高;肋片导流作用使冷气更大范围地覆盖在凹槽内,提高了平均冷却效率,这种效应在吹风比为0.5时更明显。     

燃气轮机叶片气膜冷却及换热特性研究

采用数值仿真软件,选用Realizable k-ε双方程湍流模型,对燃气轮机交叉孔叶片进行气膜冷却仿真研究;搭建实验平台,研究不同吹风比下的叶片冷却效率和对流换热系数;将仿真结果与实验数据进行对比,结果表明理论值与实验值具有一致性。最后得出结论:叶片前端气膜孔位置冷却效果最佳,沿着主气流方向,气膜冷却效果逐渐减弱;叶片吸力面的气膜冷却效果比压力面好;随着吹风比增大,气膜覆盖效果增强,冷却效率提高。     

涡轮静叶复合角度气膜冷却效果数值研究

采用Realizable k-ε紊流模型,前缘滞止线两侧孔排采用负角度对吹式、其它孔排采用α=30°、β=45°复合角度射流孔,定义叶片表面为无滑移绝热壁面,主流温度Tm=473.15K,射流温度Tc=293.15K,对不同吹风比下叶片表面的气膜冷却效率及流线进行了分析。结果表明:随着吹风比的增加,叶片压力面侧的气膜冷却效率明显提高,叶片前缘处冷却效率略有提高,叶片吸力面侧可形成连续的气膜,气膜冷却效率较高;在滞止线两侧采用单一角度叉排对吹式孔排虽然可以提高该处气膜冷却效率,但此处射流对主流的扰动也比较强烈;复合角度射流的优势在局部主流速度较高的情况下能得到很好的体现。     

上游斜坡对气膜孔换热特性影响的数值研究

为了获得气膜孔上游放置斜坡对气膜孔换热特性的影响规律,采用数值模拟方法研究了斜坡的台阶高度分别为0.3D,0.5D和0.75D(D为气膜孔直径)时在不同吹风比下的流动过程和换热特性分布情况,并与常规气膜孔冷却结构形式进行了对比。研究表明：在气膜孔上游设置斜坡,延缓了主流通过反向涡对对冷却气流的掺混作用,反向涡对强度减弱,冷却气流出流后的贴壁效果更好,提高了气膜孔出口下游的冷却效率和换热系数,并且随着斜坡高度的增高,效果更为显著。吹风比M=1.0时,斜坡对气膜孔出口下游换热系数的改善作用更强。     

Effect of external turbulence on the efficiency of film cooling with coolant injection into a transverse trench

Film cooling is among the basic methods used for thermal protection of blades in modern high-temperature gas turbines. Results of computer simulation of film cooling with coolant injection via a row of conventional inclined holes or a row of holes in a trench are presented in this paper. The ANSYS CFX 14 commercial software package was used for CFD-modeling. The effect is studied of the mainstream turbulence on the film cooling efficiency for the blowing ratio range between 0.6 and 2.3 and three different turbulence intensities of 1, 5, and 10%. The mainstream velocity was 150 and 400 m/s, while the temperatures of the mainstream and the injected coolant were 1100 and 500°C, respectively. It is demonstrated that, for the coolant injection via one row of trenched holes, an increase in the mainstream turbulence intensity reduces the film cooling efficiency in the entire investigated range of blowing ratios. It was revealed that freestream turbulence had varied effects on the film cooling efficiency depending on the blowing ratio and mainstream velocity in a blade channel. Thus, an increase in the mainstream turbulence intensity from 1 to 10% decreases the surface-averaged film cooling efficiency by 3–10% at a high mainstream velocity (400 m/s) in the blade channel and by 12–23% at a moderate velocity (of 150 m/s). Here, lower film cooling efficiencies correspond to higher blowing ratios. The effect of mainstream turbulence intensity on the film cooling efficiency decreases with increasing the mainstream velocity in the modeled channel for both investigated configurations.     

叶片前缘气膜冷却离散孔下游湍流特性试验研究

以NASA发布的燃气轮机叶片为研究对象,风速设定为10m／s;以热膜风速仪为测量工具,在气膜冷却叶片压力面和吸力面下游指定位置沿不同叶高湍流度进行测量。实验结果表明：随着射流比的增大,压力面和吸力面主射流掺混中心有上移的趋势且掺混中心扰动强弱受当地吹风比影响较大;在压力面叶片型面曲率梯度较大处,沿壁面流动的风速增大导致回流、扰动加强及混合流体的贴壁性变差;吸力面流体近尾流区域在大吹风比下扰动反而减弱;叶片表面的湍流度受到射流比、壁面曲率梯度大小及方向等多方面因素的影响。     

一种计算燃气轮机透平叶片温度分布和冷却空气需求量的修正的解析模型

现代燃气轮机冷却技术非常复杂,该文针对传统的计算透平叶片冷却空气量模型的不足,基于热力学、传热学理论,对以往模型进行修正和改进,建立一种考虑了气膜冷却和热障涂层(thermal barrier coating,TBC)的修正的解析模型。通过对不易测得的叶片内部冷却通道参数的合理处理,模型可计算得出叶片的冷却空气需求量以及温度分布情况,并通过算例进行了计算分析,得到较合理的结果。该模型可以用于燃机叶片温度实时监测以提高燃机机组运行的安全性,还可对燃机设计、性能分析和冷却空气量分配控制提供一些参考。     

超低负荷工况下大功率汽轮机低压缸内温度场分布特性研究

超低负荷下,汽轮机低压缸内的温度分布情况直接影响汽轮机的安全运行。为了更加清晰地分析蒸汽在低压缸内的温度分布特性,采用非平衡凝结流动模型、SST k-ω湍流模型对某300MW汽轮机极低负荷工况下的低压缸流场进行数值模拟,分析了整个低压缸内蒸汽流动特性、做功能力、温度分布以及近零功率时冷却蒸汽参数变化对温度场的影响。结果表明:汽轮机在30%机组热耗验收工况(turbine heat acceptance,THA)时,末级动叶根部出现了回流。在20%THA左右时,末级已经出现了鼓风现象,动静叶顶部出现漩涡,温度明显上升,且此时末级做功为负功率输出。在近零工况下时,低压缸排汽温度与冷却蒸汽流量和冷却蒸汽温度呈线性变化趋势,与冷却蒸汽流量负相关,与冷却蒸汽温度正相关,因此需设置合理的冷却蒸汽流量和温度来控制末两级叶片的出口温度。研究成果可为超低负荷工况下汽轮机的运行提供参考。     

非定常尾迹对动叶气膜冷却影响的数值模拟

采用SST k-ω模型在非定常尾迹情况下,分别模拟了3种转速(500 r/min、1000 r/rain和2000 r/min)和三种射流比(0.5、1和2)对动叶前缘气膜冷却效率的影响.结果表明,选择使得冷却射流与主流掺混后,在几乎整个叶盆区域形成类漩涡结构.在M-1的条件下,转速越高使得动叶前缘气膜孔问及压力面气膜...     

旋转气冷涡轮三维流场的实验与数值研究

采用k-e湍流模型对气冷涡轮在静止和旋转2种工况下三维流场进行数值计算,并与PIV测量结果进行对比。计算得到射流和主流的掺混区域三维速度以及射流尾迹区二次流动,k-e湍流模型的计算结果与实验基本吻合。与静止涡轮流场相比,旋转状态下涡轮内部流场中存在的离心力、哥氏力的作用使射流与主流掺混流场三维速度发生改变,其中径向速度的改变明显。计算和实验结果表明,旋转对气冷涡轮叶片压力面侧流场的影响大于吸力面。同时,吹风比增大使射流与主流掺混流场区域以及射流尾迹区的范围扩大。     

风力机叶片的分段直前后缘设计技术与应用

目前风力机叶片的气动设计方法主要依据简化风车模型与Glauert旋涡理论,但这两种方法得到的叶片在叶根及叶尖弦长过大,在叶根附近扭曲严重,对整体性能及加工制造不利。文章在Glauert旋涡理论设计方法基础上,给出了一种前后缘分段直线化设计技术及其在风力机叶片的气动外形设计中的应用。利用该技术对1MW风力机叶片进行气动设计与计算,得到了风力机在浆矩角可调及风速变化情况下的气动性能预测结果,为风力机叶片多参数化建模及优化设计方法奠定了理论基础。     

正弯静叶片对跨声速高压涡轮级内激波强度的影响

采用弯叶片技术对跨声速高压涡轮原型直叶片进行了正弯叶片造型,并且对直叶片及正弯静叶的跨声速高压涡轮级进行了三维数值模拟,分析了静叶正弯对尾缘激波强度以及整个高压涡轮级效率的影响。结果表明,对静叶进行正弯有利于削弱高压涡轮静叶端部激波强度,进而减小了静叶端区的分离,提高了整个高压涡轮级的效率。