涡漩腔控制静叶栅二次流的数值研究

采用CFD软件Fluent数值求解了前缘开设涡漩腔的涡轮静叶栅的三维流动,分析了叶栅沿流向各截面二次流及叶栅的气动特性.研究发现在叶片前缘开设的涡漩腔构造可以明显地降低叶栅二次流损失.通过所开设的涡漩腔的深度和角度不同的三个方案的比较,发现深度和角度越大的涡漩腔方案控制二次流的效果越好.涡漩腔的减损效果可以解释为由于涡漩腔的吸取作用,使得边界层内湍流度增加以及边界层厚度减少.     

采用弯叶片控制高负荷涡轮叶栅内附面层迁移的机理分析

对具有128.5°折转角的高负荷平面涡轮叶栅的内部流场进行了数值模拟.结合前期的实验结果,并利用拓扑学理论,详细分析了弯叶片对叶栅内附面层发展及旋涡运动的影响.结果表明,以通道涡为主的集中涡系在高负荷涡轮叶栅中部强烈掺混,使得中部的能量损失系数(0.56)明显高于端部(0.07),这是反弯叶片能改善此类叶栅整体气动性能的原因.对附面层迁移理论作了进一步讨论后指出,在高负荷涡轮叶栅内采用弯叶片减少二次流损失时应重点考察自由涡层的迁移.     

尾缘厚度对涡轮叶栅流场的影响

现代汽轮机叶片的制造对尾缘厚度的要求非常苛刻,为了研究尾缘厚度对平面叶栅气动性能的影响,本文采用数值计算的方法对某现有的静叶和动叶叶栅,及在原始叶型的基础上将尾缘的厚度增加50%和200%的两对改进叶栅,进行了详细地分析。计算结果表明,随着尾缘厚度的增加,叶片通流面积沿流动方向的收敛程度略微减少,在前缘附近载荷减小,相当于载荷后移,同时尾迹宽度相应的增加,叶栅出口流动角度减小,叶栅损失增加。研究结果对理解和掌握尾缘厚度对涡轮叶栅流场的影响具有重要参考意义。     

凹凸前缘压气机叶栅旋涡结构探索

为改善压气机叶栅内的分离流动、优化气动性能,以仿生凹凸前缘叶栅为研究对象,基于数值方法分析吸力面特殊流动形成的原因,研究零攻角工况下凹凸前缘叶栅的流动特性,并基于涡系变化和附面层结构的分析,总结了凹凸前缘叶栅的流动控制机理。研究结果表明:由于前缘压力梯度作用使凹凸前缘叶栅形成了特殊的流向涡对,在下游向两侧发展形成特殊的三维分离结构,挤压局部流管收缩,提高了流动附着性并重组附面层结构,降低了角区分离范围且避免了大尺度集中脱落涡的形成,改善了下游流动。探索了凹凸前缘叶栅的典型旋涡模型,并基于对流动控制机理的理解,给出若干优化方案,得到叶栅气动性能提升,其中WFB-2-9叶栅相比原始叶栅总压损失系数降低了10.47%。     

非设计工况下涡轮叶栅前缘壁角的作用

透平叶栅端区二次流具有复杂的涡系结构。Langston实验描述了两支马蹄涡和通道涡的演变和发展过程。基于Langston叶型构造出有效的前缘壁角,建立涡轮叶栅带有前缘壁角的端壁流动计算模型,分析前缘壁角对端壁流动与传热特性的影响,并评估其在非设计条件下的适应性。结果表明:在一定的非设计工况范围内,前缘壁角削弱了前缘马蹄涡和通道涡的强度,降低了流道内部的气动损失,增加了近端壁的流动损失。有效的前缘壁角使前缘附近端壁换热水平减弱,流道端壁换热整体减弱,端壁高换热区沿流向下移,尾缘附近换热有所增加。在一定的非设计工况范围内,前缘壁角都是有效的。     

涡轮导向叶栅内流场结构的数值研究

为了详细研究涡轮叶栅的气动特性，深入了解涡轮叶栅流道内的气体流动，对某型涡轮导向叶栅内的流场结构进行了数值模拟。结果表明，对本文研究的叶片弯曲方式，叶片的弯曲能够影响通道涡的位置，但采用弯叶片提高叶栅效率主要是通过降低壁角涡的损失。     

基于二次流控制的变径倒角设计与优化

基于Langston叶栅的数值模拟结果,分析了不同半径均匀倒角模型的流动特征,综合评估了倒角半径对叶栅不同位置流动的影响,据此设计并优化了变径倒角结构。结果表明:叶栅前缘倒角半径增大使前缘分流能力增强,马蹄涡强度减小;叶栅中后部大半径倒角的采用使得二次流强度增大,叶栅出口损失增大;使用变径倒角后,马蹄涡和通道涡强度减小,沿流向的总压损失系数增长受到抑制,熵增率较低,流动效果得到改善。     

攻角对透平叶栅气动性能影响的研究

采用叶栅吹风试验与数值模拟相结合的方法,研究了攻角变化对具有较大前缘半径和进口楔角的透平叶栅气动性能的影响,试验测量在出口马赫数为0.8、攻角-61.0°-＋4.0°内进行,对应的雷诺数为6.0×105.在试验验证数值方法可靠性的基础上,对叶栅流动损失进行了数值研究,分析了攻角变化对试验叶栅型面损失中吸力面与压力面边界层损失、尾迹损失和端部次流的影响特性.结果表明：当攻角从＋4.0°变化到-41.0°时,叶片表面没有发生流动分离,出口截面的总压损失系数变化幅度不超过0.21%;在负攻角很大（-61.0°）时,压力面边界层发生流动分离,型面损失急剧增大;具有较大前缘半径和进口楔角的试验用叶栅表现出良好的变攻角气动性能.     

涡轮平面叶栅设计工况下旋涡结构分析

为了揭示涡轮流道内旋涡结构的空间演化规律,本文采用数值模拟方法对某型涡轮平面叶栅内部流场进行了详细的拓扑分析。首先,利用已有的平面叶栅吹风实验结果对数值模拟结果做了详细的校核,对比结果表明实验结果和数值模拟结果在叶栅气动性能的变化趋势上保持一致,因此用数值模拟结果来定性分析叶栅旋涡结构具有可行性。通过对叶栅流道内部和出口若干个截面上的二次流流线的分析,建立起该涡轮平面叶栅流道旋涡结构,结果表明该叶栅旋涡结构呈上下对称分布,共存在六个旋涡,即上、下马蹄涡、上、下通道涡、上、下集中脱落涡。最终,通过建立叶栅三维定常旋涡结构,明确了叶栅流场内旋涡演化规律。     

用CFD研究涡轮静叶栅的二次流损失

利用CFD软件Fluent对大转折角涡轮叶栅三维流场进行了数值模拟。采用静叶栅前移动的圆柱列替代上游动叶,发现圆柱尾迹进入叶栅流道的位置不同,对叶栅总压损失有较大影响。同时,通道内逐渐增大的横向压力梯度对二次涡发展产生了显著的影响,引起沿流向叶栅总压损失的急剧增大,认为叶高的减小会极大提高叶栅的二次流损失。     

某重型燃气轮机DLN燃烧室数值模拟-热态分析

数值模拟是开展燃气轮机燃烧室性能分析的重要手段。本文通过外形3D扫描与内型工业CT扫描构建了某重型燃气轮机天然气DLN燃烧室的完整几何模型。通过对该完整三维建模进行高质量网格划分,并综合燃气轮机循环分析给出的工况参数,开展了数值模拟分析。本文热态模拟了燃烧室内流场、温度场及组分场,发现该型燃烧室喷嘴布置方式存在中心区域不能完全燃烧的风险。研究方法与结果可为燃气轮机DLN燃烧室的分析与设计提供参考。     

带有冷气掺混的三级透平气动性能数值研究

借助NUMECA数值仿真软件,以某型燃气轮机的三级透平作为计算模型,对其在冷却气体掺混前后的流场进行了数值模拟。考虑到工质物性的影响,采用了变比热高温燃气作为计算工质。同时,针对燃气轮机透平进口的变工况问题,选取不同的透平进口总压值进行数值计算。结果表明,冷却气体的加入使得级损失增大,每列叶片流道出口速度或相对速度减小,下游叶片进口气流角减小;在三级透平冷气掺混时改变进口总压值,每列叶片流道的进口气流角几乎不变,除第三级动叶的激波损失与尾迹损失增大外,其余叶片流道的能量损失变化不明显。     

当量比对涡轮叶间燃烧性能影响的数值模拟

为探究涡轮叶间燃烧性能,设计了4种不同当量比的工况,利用 FLUENT 软件的 Realizable k-ε湍流模型、PDF 燃烧模型、DO 辐射模型和离散相模型对燃烧室的流动及燃烧进行数值模拟.结果表明:燃烧室能在广泛的当量比(2.59~0.81)下保持性能稳定,燃烧效率保持在96%以上、总压损失低于2.4%,气体温度提高650,K 左右;降低当量比,能够提高燃烧效率,降低 CO、UHC、NOx 等污染物排放,改善温度分布,但会造成更大的总压损失;最优当量比等于1.00,此时燃烧效率在99.95%以上,总压损失相对低(1.5%),出口径向温度呈抛物线型分布,最适合燃烧室设计.与文献对比发现,选取的工况合理,其结果对涡轮叶间燃烧室设计具有参考价值     

燃气轮机陆基试验台进气系统阻力模拟装置气动性能数值分析

为某型燃气轮机陆基试验台进气系统设计了一种由5个节流板组成的进气阻力模拟装置,用于模拟燃气轮机实船状态下的进气阻力。采用CFD数值模拟方法,分析该装置阻力模拟装置节流板不同偏转角度对燃气轮机进口空气流场及总压损失的影响,通过试验验证了数值模拟结果的准确性。数值结果表明：节流板顺时针持续偏转,下流底部回流区域逐渐扩大,下游主流流速分布较均匀,有利于燃气轮机运行;同时节流板偏转使得燃气轮机进口截面顶部区域低速区扩大,截面高速分布区域更加均匀。节流板逆时针偏转会增大燃气轮机进口截面不均匀度,且引起的总压损失要大于顺时针偏转,不利于燃气轮机运行。同时还通过试验验证了数值计算模型和相关分析的可靠性,为节流板的设计、安装提供了重要的理论依据。     

排气蜗壳与轴流涡轮相互作用的气动性能研究进展

排气蜗壳是连接燃气轮机末级涡轮与大气的关键部件,同时也是进一步提高动力装置输出功率最有潜力的部件之一,其与上游末级轴流涡轮因紧密耦合而产生的流动复杂性和非定常性可对涡轮和排气蜗壳的气动性能产生较大影响。国内外研究大多集中于单独的排气蜗壳性能和优化,而对排气蜗壳与轴流涡轮之间耦合的相互作用研究很少。本文主要从排气蜗壳内流动和损失机理、涡轮和排气蜗壳之间流动的相互作用以及排气蜗壳和轴流涡轮耦合的数值研究方法等方面对排气蜗壳内部流场分布及其与轴流涡轮流动相互作用的气动性能研究进展进行综述,重点梳理了二者流动的相互作用以及相关研究方法。最后,对排气蜗壳与轴流涡轮气动性能耦合研究的未来研究重点和发展趋势进行了展望。     

On the role of surface roughness in the aerodynamic performance and energy conversion of horizontal wind turbine blades: a review

Renewable energy is one of the main pillars of sustainable development, especially in developing economies. Increasing energy demand and the limitation of fossil fuel reserves make the use of renewable energy essential for sustainable development. Wind energy is considered to be one of the most important resources of renewable energy. In North African countries, such as Egypt, wind energy has an enormous potential; however, it faces quite a number of technical challenges related to the performance of wind turbines in the Saharan environment. Seasonal sand storms affect the performance of wind turbines in many ways, one of which is increasing the wind turbine aerodynamic resistance through the increase of blade surface roughness. The power loss because of blade surface deterioration is significant in wind turbines. The surface roughness of wind turbine blades deteriorates because of several environmental conditions such as ice or sand. This paper is the first review on the topic of surface roughness effects on the performance of horizontal‐axis wind turbines. The review covers the numerical simulation and experimental studies as well as discussing the present research trends to develop a roadmap for better understanding and improvement of wind turbine performance in deleterious environments. Copyright © 2016 John Wiley & Sons, Ltd.     

Thermodynamic characteristics of a low concentration methane catalytic combustion gas turbine

Low concentration methane, emitted from coal mines, landfill, animal waste, etc. into the atmosphere, is not only a greenhouse gas, but also a waste energy source if not utilised. Methane is 23 times more potent than CO₂ in terms of trapping heat in the atmosphere over a timeframe of 100 years. This paper studies a novel lean burn catalytic combustion gas turbine, which can be powered with about 1% methane (volume) in air. When this technology is successfully developed, it can be used not only to mitigate the methane for greenhouse gas reduction, but also to utilise such methane as a clean energy source. This paper presents our study results on the thermodynamic characteristics of this new lean burn catalytic combustion gas turbine system by conducting thermal performance analysis of the turbine cycle. The thermodynamic data including thermal efficiencies and exergy loss of main components of the turbine system are presented under different pressure ratios, turbine inlet temperatures and methane concentrations.     

Variable geometry gas turbines for improving the part-load performance of marine combined cycles – Gas turbine performance

The part-load performance of gas and steam turbine combined cycles intended for naval use is of great importance, and it is influenced by the gas turbine configuration and load control strategy. This paper is aimed at quantifying the effects of variable geometry on the gas turbine part-load performance. Subsequently, in another paper, the effects of variable geometry on the part-load performance for combined cycles used for ship propulsion will be presented. Moreover, this paper is aimed at developing methodologies and deriving models for part-load simulations suitable for energy system analysis of various components within gas turbines. Two different gas turbine configurations are studied, a two-shaft aero-derivative configuration and a single-shaft industrial configuration. When both gas turbine configurations are running in part-load using fuel flow control, the results indicate better part-load performance for the two-shaft gas turbine. Reducing the load this way is accompanied by a much larger decrease in exhaust gas temperature for the single-shaft gas turbine than for the two-shaft configuration. As used here, the results suggest that variable geometry generally deteriorates the gas turbine part-load performance.     

Design and performance of a double-pitch wind turbine with non-twisted blades

A new design has been proposed for inexpensive wind turbine blades with high power coefficients.The new wind turbine blade has been subdivided into two, each with a different pitch angle, to optimise aerodynamic flow, absence of twist, and carries a variable chord along the blade itself.The new blade reveals some energy loss due to the tip vortices of each blade part (which can be minimised by winglets), yet proves that it is possible to create a wind turbine with high power coefficients.To design and evaluate the performance of the new wind turbine a numerical code, developed by the authors and based on blade element momentum theory, was implemented after validation by experimental measurement found in scientific literature. The code led to better choices of layout to maximise turbine performance.     

大涡模拟在船用燃气轮机进气流场中的应用

燃气轮机进气系统的结构和气动性能是燃气轮机装舰技术研究的一个重要组成部分。针对这方面的要求,进行燃气轮机进气系统的设计及数值模拟计算,为设计制造高性能的船用燃气轮机进气系统提供可靠的依据。对两种方案的进气系统作了数值计算和实验研究,其结果是相当令人满意的,对进气系统的实际使用具有非常重要的意义。