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。     

气膜冷却流场的大涡模拟

采用LES(大涡模拟)对单个圆形喷孔横向紊动射流流动进行了数值研究，模拟了吹风比M=2.0工况下的不同截面上的涡量随时间发展变化的过程,并对各种涡的流动机理进行了分析。结果表明：对称面的正反涡和垂直截面的马蹄形涡的两翼交替周期性地脱落成新的涡；由于尾迹涡的进入，在近下游X/D<4.0区域内，反向涡旋对的旋涡强度沿流向没有明显衰减，而在 X/D>4.0的区域，其旋涡强度沿流向单调衰减；反向涡旋对的正反向涡旋形状不对称，且正向涡旋里夹有反向旋转的涡，反向涡旋里夹有正向旋转的涡。     

燃气轮机透平叶片气膜冷却数值模拟

透平叶片的冷却技术是提高燃气轮机效率的关键,其中气膜冷却是非常重要的一种冷却方式。参考某型燃气轮机第一级动静叶片的几何尺寸进行建模,采用数值模拟的方法对气膜冷却进行了分析研究,主要研究了叶片前缘的气膜冷却。分析比较了多种参数对气膜冷却效果的影响,即不同吹风比、密度比、自由流湍流度和射流角度的影响。结果显示:吹风比过大或过小,冷却效果都不好;高密度的射流比低密度的射流更容易保持在表面处;低湍流度比高湍流度时气膜冷却有效度更佳;适当调整射流角度能改善冷却效果。     

不同出射角度对气膜冷却流场的影响

采用RNGk-ε湍流模型对射流出射角度α为90o、正、负60o和正、负30o的气膜冷却流场进行了数值模拟,结合SIMPLEC算法求解了适体坐标系下的控制方程,近壁区流动采用两层模型的壁面函数法处理,结果给出了射流与主气流速度比R为2和4时的射流轨迹和速度场。结果表明:R和α值是影响气膜冷却流场的重要因素,R值增加,冷气射流对主流场影响区域增加,α值为负时,射流对主流场上游影响区域较大,当α值为30o时,射流影响区域减小;当α为正值时,随α值的减小,射流喷孔下游背风侧的分离现象逐渐消失。     

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。     

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...     

燃机透平叶片气膜冷却耦合换热的数值研究

为了准确得到燃机透平叶片的金属温度,进一步提高透平叶片的使用寿命和可靠性,采用商业软件CFX对燃机透平叶片气膜冷却进行耦合换热数值研究,研究了网格和湍流模型对求解结果的影响。通过研究发现Y+对求解结果有较大的影响,当Y+小于1时,求解结果较为合理;Gama Theta湍流模型对不同工况下温度场的数值模拟结果与气膜冷却试验值吻合较好。     

非定常尾迹宽度对气膜冷却效果的影响

对非定常环境下动叶气膜冷却的流场进行数值模拟,研究非定常尾迹宽度对气膜冷却效果的影响。结果表明,对于动叶的气膜冷却来说,由非定常尾迹形成的低速区对冷却射流的压制作用减小,使冷却射流更多地进入主流并与其掺混,使得气膜孔下游叶片表面的冷却效果降低。当尾迹宽度增大时,叶片表面气膜冷却效果降低的程度增加。非定常尾迹对压力面上冷却效果的影响大于吸力面。压力面上在第1个冷却孔后面冷却效率降低了15％,而吸力面上的冷却效果变化不是很明显。     

多孔气膜冷却纵向耦合涡的数值模拟

应用Realizable k-e 紊流模型并结合SIMPLEC算法,近壁区流动的处理采用加强壁面函数法,对多孔气膜冷却进行数值模拟,将数值解与实验值进行比较,对纵向耦合涡的发展与冷却死区范围变化的关系进行探讨。结果表明,数值计算可较真实地模拟平板多孔气膜冷却气膜孔间气膜冷却效率的分布规律。冷却气流对底面形成气膜冷却的效果是由于纵向耦合涡覆盖在底面之上,阻隔主流与底面直接接触;气膜孔后高涡量、低涡心位置的纵向耦合涡的形成有助于提高其覆盖区域的气膜冷却效率;底面气膜冷却效率的分布规律与纵向耦合涡在底面上的覆盖范围一致,多孔气膜冷却气膜孔后纵向耦合涡的汇合位置直接影响孔间冷却死区的范围。     

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。     

不同孔型平板气膜冷却的数值模拟

为了研究不同射流孔形状对气膜冷却效率的影响,基于控制容积法,采用Realizablek-ε模型,对圆孔、簸箕孔和圆锥孔3种孔形的平壁气膜冷却进行了数值模拟。讨论了反向涡旋对和射流附壁性对冷却效率的影响,总结了3种形状射流孔的冷却效率随射流速度比的变化趋势。结果表明,在相同射流速度比时,簸箕孔的冷却效率和横向覆盖宽度都大于圆孔和圆锥孔,且簸箕孔的射流速度比在所计算的射流速度比范围内存在一个最佳值;簸箕孔和圆锥孔不同程度地抑制了反向涡旋对的产生,提高了射流的附壁性,从而降低了涡旋强度,增强了壁面的冷却效果。     

火电厂中速磨煤机旋转风环数值模拟研究

为了探究RP中速磨煤机石子煤排量较大,风环及衬板装置磨损严重等问题的解决办法,对某电厂的HP型磨煤机进行数值模拟,获取了其内部的流场数据并与RP磨煤机进行对比,探究两者差别。结果显示:RP型磨煤机风环喷嘴中存在漩涡,造成了涡流损失并且加速了风环磨损,而且由于各喷嘴风量分布不均,部分风环口风量过小,造成了石子煤排量较大,而HP型磨煤机由于采用了旋转风环,各风环喷嘴风速趋于均匀,涡流减少,石子煤排量大幅降低,所以采用旋转风环可以有效地改善磨煤机中的上述运行问题。     

基于Abaqus子模型技术分析透平空心叶片气膜孔应力

燃机透平空心冷却叶片的结构异常复杂,叶身表面数量众多,尺寸小巧的气膜孔给应力,计算带来巨大困难。要准确的计算叶身应力,其计算规模将非常巨大,需要消耗大量的计算机资源才能完成。子模型技术通过对几何模型的分解,在保证总体计算规模不太大的同时又可以保证重点部位的计算精度。本研究用Abaqus商业软件的子模型方法分析气膜孔周围应力分布,比较了传统计算方法和子模型方法的计算精度、时间和资源消耗量。     

十字隔墙湿式冷却塔冷却特性的数值研究

为阐明十字隔墙对自然通风逆流湿式冷却塔冷却特性的影响,基于CFD软件FLUENT,建立了十字隔墙湿式冷却塔的三维数值计算模型,对塔内外空气动力场及塔内气–水两相间的传热传质进行了三维数值模拟。在2种典型风向下,分析了十字隔墙对冷却塔雨区空气动力场、水池水面水温场、通风量、塔内各区平均传热传质系数、各区冷却水温降及冷却水总温降的影响。研究表明：低风速时,十字隔墙可增大冷却塔总体冷却性能;高风速时,风向与迎风侧第1块隔墙平行时,冷却塔总体冷却性得到提高,风向与迎风侧第1块隔墙夹角为45°时,冷却塔总体冷却性能下降,间隙十字隔墙可有效减小无缝十字隔墙因高速侧风风向变化而产生的不利影响。