燃气透平叶片前缘气膜冷却效率的试验研究

为了研究燃气透平叶片前缘气膜冷却的传热特性,建立了叶片可视化测试试验台,对叶片前缘区域的冷却效率进行了试验研究,分析了不同吹风比、不同主流雷诺数对叶片前缘区域冷却效率的影响.结果表明：气膜孔附近的冷却效率随吹风比的增大而提高,气膜孔下游的冷却效率随吹风比的增大而降低;冷却效率最高的区域在吸力面上,最低的气膜冷却效率在压力面上产生;低吹风比时主流雷诺数对叶片冷却效率的影响较小;但在高吹风比时,主流雷诺数对叶片前缘气膜孔附近的冷却效率影响较大.     

燃气轮机叶片前缘气膜冷却的数值模拟

采用数值模拟方法,对燃气轮机叶片前缘气膜冷却问题进行了数值模拟研究。对比分析了在不同吹风比时,叶片吸力面气膜冷却效果的变化规律以及前缘表面不同位置冷却气膜孔排的下游曲率变化对冷却效果的影响。结果表明:不同冷却排孔的冷却效果向下游呈现出逐渐减弱的趋势,每排气膜孔减弱程度各不相同;当吹风比小于1. 0时,吸力面气膜冷却效果随着吹风比的增大而逐渐明显;当吹风比大于1. 0时,吸力面气膜冷却效果随着吹风比的增大而逐渐减弱。     

进口气流冲角对环形叶栅端壁气膜冷却效率的影响

进口气流冲角变化会改变端壁横向压力梯度致使端壁气膜冷却气体覆盖发生变化。本文在环形叶栅端壁30％、60％、90％轴向弦长处和距前缘-10％轴向弦长端壁处布置单排圆柱形气膜冷却孔,运用CFD方法在吹风比为1．0条件下对来流冲角为10°、0°和-15°时端壁气膜冷却效率进行对比分析。结果显示冲角由正值到负值,压力面和吸力面一侧两支马蹄涡夹裹冷却气膜主体向压力面偏移,致使吸力面一侧端壁未冷却区域扩大,压力面一侧端壁未冷却区域缩小。吸力面一侧端壁气膜冷却效率沿流向逐渐提升,并在流道中、下游完全冷却覆盖端壁,而压力面一侧端壁一直未能获得冷却气膜覆盖。     

旋转对涡轮叶片气膜冷却影响的数值模拟

采用数值模拟的方法对旋转涡轮叶片表面的气膜冷却效率进行了研究,同时对涡轮静叶栅和动叶片在不同的旋转速度下分别进行计算,分析不同转速、吹风比和冷却气流喷射角度对气膜冷却的影响.计算结果表明,旋转使压力面气膜冷却效率降低,转速越高,气膜冷却效率越低;在吸力面冷却孔下游附近区域,叶片旋转对气膜冷却效率的影响不大,但叶片旋转使离冷却孔较远处的吸力面冷却效率升高.同时,在旋转状态下,靠近叶顶区域的叶片表面气膜冷却效率升高.     

非定常尾迹及其对动叶气膜冷却影响的数值研究

针对前缘设有3排气膜孔的动叶,采用数值模拟方法对其静叶尾迹的非定常特性进行了研究,分析了静叶尾迹对动叶气膜冷却的影响.通过模拟吹风比分别为0.5、1和2时的工况,结合对应工况下的等熵图,对动叶升力系数和阻力系数进行了频谱分析,得到动叶表面的静压分布和传热系数分布.结果表明：随着吹风比的增大,下游叶栅通道的熵值有所减小,尾迹涡脱落频率没有明显变化;动叶压力面静压随着吹风比的增加而降低,压力梯度减小,传热系数则增大,换热增强,冷却效果较好;吸力面静压随着吹风比的增大而逐渐升高,形成了以吸力面最大曲率处为中心的负压区,传热系数增大,但靠近吸力面尾缘部分的换热效果优于前缘部分.     

叶片前缘表面气膜冷却的实验研究

燃气轮机叶片前缘处有很多高换热区,其中叶片前缘表面处是最先与高温燃气接触的位置,存在承受较高的热负荷的问题,目前较为常见的解决办法是气膜加冲击冷却。通过实验对比不同吹风比、不同曲率位置气膜冷却排孔的温度分布,得出以下结论:冷却效果以出气孔为起点向下游不断减弱,并且在不同的排孔处,下游减弱的趋势不同;当吹风比M1时,吸力面气膜冷却有效度随吹风比的增加而逐渐增加;当吹风比M1时,气膜冷却有效度随吹风比的增加而减小;下游曲率的增加可以有效地增加气膜冷却效果。     

透平静叶表面多排孔气膜冷却特性试验研究

为研究燃气轮机透平静叶表面的气膜冷却特性,搭建了平面叶栅气膜冷却试验台,采用红外成像技术测量了带有多排扇形气膜孔的透平静叶表面气膜冷却有效度和传热系数,分析了不同吹风比下静叶压力面和吸力面不同孔排下游气膜冷却有效度和传热系数的分布规律.结果 表明:随着吹风比的增大,静叶压力面各排孔后气膜冷却有效度增大,静叶吸力面孔排1下游气膜冷却有效度减小,吸力面孔排2和吸力面孔排3下游气膜冷却有效度先增大后减小,吸力面孔排4下游气膜冷却有效度增大;大吹风比时,气膜出流使得静叶表面大部分区域展向平均传热系数相比无气膜时小幅增大.     

透平叶片表面单排孔气膜冷却效率试验研究

采用稳态红外法试验测量了透平叶片压力面和吸力面气膜孔后冷却效率的分布,分析了吹风比对叶片表面不同位置处单排孔后气膜冷却效率的影响规律,结果发现:吸力面孔排1下游气膜冷却效率随吹风比的增加而降低;孔排2出口附近气膜冷却效率随吹风比的增加先增加后减小,远离孔下游区域的气膜冷却效率随吹风比的增加而增加。压力面孔排1出口附近气膜冷却效率随吹风比的增加而减小,远离孔下游区域的气膜冷却效率随吹风比的增加而增加;孔排2下游气膜冷却效率随吹风比的增加而增加。研究成果可为燃气轮机透平叶片气膜冷却结构设计和冷却空气流量的选取提供参考。     

叶片不同孔排位置异形孔气膜冷却改进对比试验研究

为了探究多种异形孔在叶片上不同位置对气膜冷却改进效果的影响,通过红外测温技术对圆柱孔、水滴孔、圆锥孔和燕尾孔的气膜冷却效率进行了试验研究。结果表明：与圆柱孔相比较,位于压力面尾缘处的水滴孔增加了气膜覆盖长度,减小了气膜冷却效率沿着流向的衰减,3种吹风比(1.0,1.5和2.0)下气膜冷却效率增幅为45%～78%;位于压力面前缘处的圆锥孔增加了气膜在展向的覆盖宽度,对气膜覆盖长度的改善并不理想,吹风比越大气膜冷却效率提升越大,3种吹风比下气膜冷却效率增幅为37.9%～96.4%;位于吸力面鳃区的燕尾孔对气膜冷却效率的改进效果最明显,吹风比增大气膜的覆盖长度增加,3种吹风比下气膜冷却效率增幅为102.2%～302.2%。     

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。     

低稠度涡轮导向叶片端壁高效气膜冷却特性研究

采用低稠度涡轮导向叶片设计方案，可减少导向叶片的用量，减轻涡轮重量，降低发动机冷气用量及耗油率，但同时也带来导向叶片端壁冷却负荷增大等问题。依据低稠度涡轮导向叶片端壁的结构与流动换热特点，制定了槽缝和气膜孔共同冷却的方案。通过数值模拟和分析，重点研究了低稠度涡轮导向叶片端壁前缘气膜孔在不同方向角、孔数、孔径以及叶栅通道中气膜孔布置等条件下的流动及冷却特性。研究结果表明：对低稠度涡轮导向叶片端壁前缘气膜孔进行优化设计，可以有效克服导向叶片端壁前缘高强度马蹄涡对于气膜冷却效果的不良影响；在叶栅通道内合理设置气膜孔，可以改善通道内复杂涡旋对端壁气膜的卷吸作用，提高气膜冷却效果；当槽缝和气膜孔中的冷气流量比分别为3%和2%、气膜孔方向角为45°、气膜孔直径为1.25 mm、叶片前缘和叶栅通道气膜孔数分别为8和1时，叶片端壁表面被冷气膜全部覆盖，此时端壁面平均气膜冷却效率相对最高，达到53.7%。     

燃气轮机动叶缩放型气膜孔冷却效果的数值模拟

为了增强燃气轮机动叶气膜冷却效果,提出一种缩放型气膜孔结构。采用数值模拟的研究方法,模拟了当吹风比M=1.2、主流湍流度Tu=5%时,不同孔间距下分别带有圆柱型气膜孔和缩放型气膜孔叶片的气膜冷却效果。研究结果表明:无论是在叶片压力面还是吸力面,带有缩放型气膜孔叶片的气膜冷却效果总体要优于圆柱型气膜孔叶片;在圆柱型气膜孔和缩放型气膜孔叶片表面,覆盖的气膜整体朝向叶片偏转角流动,由于叶片受到前缘冷却的影响,叶片后缘位置的气膜冷却效率更高,整体呈现出偏转叠加效应,带缩放型气膜孔的叶片在后缘位置冷却优势更加明显;随着孔间距的减小,两种孔型叶片的平均气膜冷却效率都呈现递增趋势,冷却性能得到提高。     

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%。     

带复合角度气膜孔的透平叶片冷却流场大涡模拟

采用大涡模型模拟了吹风比M=1.5时静止叶栅前缘射流孔为复合角度的流场结构,计算和分析了复合孔排叶片流场的三维流动结构及不同截面的涡量分布随时间的变化.结果表明:由于射流的存在,增加了流场的复杂性,流场中同时存在射流剪切层涡、马蹄形涡系、反向旋涡对和尾迹涡等4种涡系结构;叶片压力面和吸力面由于复合孔排的连续布置,冷却效果较好;射流的旋涡脱落呈周期性变化,第7排射流孔旋涡的脱落周期为0.04 s;在压力面侧,CVP的形成比吸力面早,涡的影响区域也相对较大.     

带沟槽涡轮叶片颗粒沉积特性和气膜冷却性能研究

为探究带沟槽叶片的颗粒沉积特性以及气膜冷却性能,以某型高压涡轮含有尾缘劈缝结构的涡轮叶片为原型,针对实际工况建立沉积模型,采用数值模拟方法研究了0<M≤2不同吹风比下沟槽结构对叶片表面颗粒沉积特性和叶片表面气膜冷却性能的影响规律。结果表明：沟槽结构提高了总碰撞效率,降低了总沉积效率,颗粒易沉积于气膜孔下游以外区域以及端壁两侧,沟槽导致压力面中后部颗粒沉积的区域增大;随着吹风比的增加,沟槽内部捕获效率提高,整体颗粒捕获效率降低,沟槽内部的气膜冷却性能不断下降,但沟槽下游部分区域的气膜冷却性能优于原始结构;沟槽的存在使下游附近沿展向的气膜覆盖区域变大,冷却性能提升,沿孔流向的展向平均气膜冷却效率最高可提升18%。     

具有新型双层壁结构的透平叶片流热耦合研究

多通道壁面射流冷却结构是一种新型的燃气透平动叶内部冷却结构,具有消耗冷气少、压力损失小等优点。本文构建了简化的壁面射流冷却叶片与GE-E3冷却结构叶片模型,采用流热耦合方法对比研究了其流动与换热特性。结果表明,壁面射流冷却通道内的狭小空间抑制了横流的产生,冷气在冷却通道中形成了流向涡;前缘冷气流道中的大量冷气流经吸力侧冷却区,并从出口压力更小、面积更大的尾缘排出,使得前缘气膜孔出流的冷气流量和动量较小,冷气在叶片外表面的气膜覆盖特性更好;离心力的影响导致前缘冷气流道中叶根处的压力较低,叶根附近的气膜孔出现燃气主流入侵现象。相比于GE-E3叶片,壁面射流冷却叶片的前缘温度和温度梯度都较小,因此多通道壁面射流冷却在前缘具有更优异的冷却特性。     

涡轮单排气膜孔与前缘结状凸起耦合数值研究

气膜冷却作为涡轮的主要冷却方式之一,如何提高其冷却效率是当前研究重点.本研究在涡轮前缘构造结状凸起结构,采用源项技术模拟气膜孔,研究吹风比分别为1,3下,前缘结状凸起对单排气膜孔冷却效率的影响,详细分析温度以及涡量等参数.结果表明:单排气膜孔处于相同吹风比时,改型叶片并没有比原型叶片带来更好的改善效果;单排气膜孔吹风比...     

涡轮静叶复合角度气膜冷却孔排布置优化的数值研究

采用Realizable k-ε两方程模型,通过改变射流入射角度和吹风比,对具有8排复合角度射流孔的涡轮静叶片表面温度场进行数值研究,确定各个孔排的最佳吹风比;对复合角度孔排的布置进行调整,得到较好的气膜冷却方案。结果表明:在相同的吹风比下,气膜有效覆盖范围随入射角α的减小而增大,展向倾角β的引入可增大气膜展向的覆盖范围;在大吹风比下,角度为α=30°、β=45°时,气膜贴壁性较好,角度为α=60°(α=45°)、β=45°时,压力面前半部气膜出现脱壁现象;在滞止线两侧采用单一角度叉排对吹式孔排布置可对前缘形成更有效的气膜保护。     

涡轮叶片前缘气膜冷却的数值研究

对前缘带有2排冷却孔的高压涡轮叶栅进行了气膜冷却数值计算,在吹风比分别为0、0.7、1.1、1.5的情况下得到了叶片型面的静压分布,并将计算结果与实验数据进行了对比研究.此外,还详细分析了冷却孔出口附近区域的流场特性.结果表明,吹风比对叶片型面的压力分布影响不大,只是在冷却孔附近有较为明显的变化.同时,由于冷气射流的注入,在冷却孔后出现了一对旋转方向相反的肾形涡,此时增大吹风比不会对旋涡产生明显的影响,但对旋涡下游流场的影响比较明显.