几何参数对气膜孔流量系数的影响

在燃气轮机涡轮叶片的冷却设计中,气膜孔的流量系数是最关键的参数之一,它会影响气膜的实际冷气流量和气膜冷却效果.使用数值计算方法研究了孔倾斜角、孔复合角、长径比、孔入口圆角、孔出口圆角等几何参数对气膜孔流量系数的影响.提出了一种基于选定基准工况的气膜孔流量系数的关联式,该关联式将这些几何参数的影响考虑在内.与文献中试验数...     

气膜孔布置对旋流双层壁结构流动传热特性影响研究

为了研究气膜孔复合角和孔排布方式对冲击诱导旋流气膜双层壁冷却流动与耦合传热的影响,采用流固耦合的数值计算方法,对不同吹风比下4种气膜孔复合角的综合冷却效率和射流流动结构进行了详细研究,同时研究了两种气膜孔排布方式对旋流双层壁结构流动和传热的影响,揭示了4种气膜孔复合角θ下射流空间旋涡的形成、发展和演化过程,并对比分析了不同吹风比下4种气膜孔复合角对面积平均综合冷却效率和总压损失系数的影响。结果表明：气膜孔排布方式不同时,气膜孔复合角对综合冷却效率的影响相差较大。吹风比为1.0时,单旋流交错排布方式下增大气膜孔复合角可以有效提高射流的展向覆盖范围,从而提高综合冷却效率,θ=30°时的面积平均综合冷却效率比θ=0°时高约14.22%;双旋流交错排布时θ=30°比θ=0°时的面积综合冷却效率提高约4.58%。吹风比增加到2.0时,由于射流穿透主流吹离了冷却壁面,降低了气膜保护效果,使得冷却壁面均匀性变差,并且双旋流交错排布时尤为明显。随着吹风比的增加,两种气膜孔排布方式的总压损失系数均呈指数形式增加。     

开槽气膜孔结构对气膜冷却和流动特性的影响

运用数值模拟的手段,从流动特性和冷却特性两方面评价了各种开槽气膜冷却孔结构的优劣。从流动的机理揭示了在相同的槽深下,不同的横槽结构对改善气膜冷却效率和流量系数的影响,并比较了在气膜孔出口和入口均开有横槽后对流动和冷却特性的影响。结果表明：开横槽后,气膜孔出口下游的冷却效率得到不同程度的改善,吹风比越大,改善的程度越明显。在横槽下游5D-10D的范围内,冷却效率的改善程度最大;在气膜孔出入口处均开有斜横槽的结构和用圆角过渡气膜孔入口处的横槽均是提高气膜冷却效率和减小气膜孔流动阻力的有效措施,而在气膜孔出口处的横槽用圆角过渡则不利于改善气膜冷却效果。     

气膜孔与肋的相对位置及通道截面形状对气膜孔流量系数的影响

本文基于航空发动机涡轮叶片的放大模型,研究了在同时带肋和气膜孔出流的内流通道中气膜孔与肋的相对位置以及通道截面形状对流量系数Cd的影响情况。实验在内流通道进口雷诺数Re为20000～80000、通道总出流比SR为0.30～0.60以及肋角为60°、120°的范围进行,分析了肋与气膜孔的相对位置及通道截面形状对气膜孔流量系数的影响情况,发现肋的存在明显改变了气膜孔的流量系数。由于肋所导致的回流区的影响,位于肋下游的气膜孔流量系数低于中间孔和肋上游孔,而通道截面的不同则影响了气膜孔里的雷诺数大小,从而影响了气膜孔的流量系数。本文的实验结果对于航空发动机涡轮叶片冷却结构设计具有参考价值。     

双叉排孔脉动射流气膜冷却效率的实验与数值模拟研究

采用高精度红外热像仪测量了平板绝热气膜冷却效率,比较了双叉排孔和单排孔气膜冷却效率,分析了吹风比(M=0.65,1.0,1.5)和脉动频率(St=0,0.01,0.015,0.025)以及孔间作用对气膜冷却效率的影响,结合数值计算得到的瞬态流场和温度场分析了脉动射流气膜冷却下的流动传热机理。结果表明：在稳态射流工况下,单排孔的气膜冷却效率随着吹风比的增加而减小,双叉排孔的气膜冷却效率却随着吹风比的增加而增大;在脉动射流时,单排和双叉排孔的气膜冷却效率在低吹风比下低于稳态射流,在高吹风比下,脉动射流对气膜冷却效率的影响减小,且低频脉动射流气膜冷却效率略高于稳态射流。     

不同气膜孔型在平板及叶片上的冷却效果研究

在燃气轮机透平叶片冷却设计中,气膜冷却是一种高效的冷却方式,能保护叶片表面不受高温燃气侵蚀。成型孔是目前广泛应用的气膜孔型。为研究孔型结构对冷却效率的影响作用,展开了数值计算。首先通过数值模拟方法研究了平板上4种不同结构的成型孔在吹风比为1.5～2.5工况下的流动换热规律,发现一种收敛缝型孔具有冷气覆盖面广、冷却效率高的特点。将带展向11°扩张角、流向10°扩张角的成型孔与收敛缝型孔布置在叶片上,进一步展开数值计算,发现在前者的气膜孔排布置下,冷却气分布更加均匀,冷气消耗量少,仅为收敛缝型孔的37%,更符合冷却叶片设计原则。     

燃气轮机高温叶片气膜冷却系统的研究进展

气膜冷却是现代燃气轮机透平高温叶片冷却的重要方式。真实透平中的复杂工况对气膜冷却系统提出了严峻的挑战,优化设计气膜冷却系统,提高其冷却性能,同时适应真实透平的工作条件已成为业界关注的一个主要问题。本文综述了近年来在气膜冷却结构设计、气膜冷却系统制造和其在燃机真实条件下运行性能三方面的研究成果。在此基础上提出了气膜冷却研究的发展方向。高温叶片的气膜冷却系统将在更加接近燃机真实运行工况的雷诺数、马赫数、湍流度、吹风比、动量比、密度比以及非稳定流场条件下,沿着优化气膜孔的组合排布、孔形和孔影响区域这三方面进行优化设计,同时考虑加工工艺和长期运行均会导致实际的气膜冷却孔会偏离设计构造的影响。     

航空发动机涡轮叶片冷却技术综述

本文综述了当前航空发动机涡轮叶片冷却技术的研究情况,着重介绍了气膜冷却、涡轮叶片内流冷却技术和气膜孔流量系数的研究进展,指出了内流冷却和外部气膜冷却相互影响,在冷却结构设计中应予以考虑。     

前缘气膜孔对涡轮静叶冷却效果影响的数值模拟

采用全三维数值模拟技术,利用k—ε双方程湍流模型和SIMPLE算法,通过求解三维粘性可压缩Favre平均Navier—Stokes方程。对某新型燃气轮机第一级气膜冷却静叶叶栅的三维湍流流场进行了数值模拟。分别通过改变燃气轮机前缘气膜孔的参数,计算出叶片外表面的温度分布和冷却空气流量大小。结果表明,前缘气膜孔的直径、数目以及射流方向对叶片表面冷却效果的影响是非常显著的。从而提出了一种叶片前缘气膜冷却设计的新方案,为工程设计提供了有价值的参考。     

姊妹孔与单入双出孔平板气膜冷却效率的数值模拟

采用Fluent分离隐式求解器进行稳态计算,在吹风比为0.5、1.0、1.5和2.0的情况下,采用Realizable k-ε湍流模型对圆柱孔、单入双出孔和姊妹孔平板气膜冷却进行数值模拟,讨论不同孔形平板主流方向和平板横向的冷却效率以及流场变化.结果表明:主流方向在近孔区域姊妹孔冷却效率高于单入双出孔,且随着吹风比的增大优势更加明显,但是由于射流贴附壁面较早,射流与主流掺混引起动量损失,到远孔区域以后,姊妹孔冷却效率稍微下降,低于单入双出孔;姊妹孔平板横向近孔区域的气膜层分布较均匀,单入双出孔远孔区域由于主孔与次孔射流速度差引起气膜层偏移,导致平板一侧冷却效果好,另一侧冷却效果欠佳;吹风比较小时单入双出孔冷却效果较佳,大吹风比下姊妹孔优势明显.     

旋转状态平板收敛缝形气膜孔改善 冷却效果的数值研究

数值研究了旋转状态下收敛缝形气膜孔结构的冷却特性，并与圆形孔对比，得到收敛缝形气膜孔具有改善气膜冷却效果的特性。结果表明：旋转条件下，气膜的偏移使得展向冷气覆盖的区域增大，收敛缝形气膜孔的展向冷却有效范围明显优于圆形孔，同时对主流的穿透率较低，说明旋转时收敛缝形气膜孔的贴壁性依然较好；各种转速条件下，圆形孔的气膜在大吹风比工况呈现脱离壁面的特点，而收敛缝形气膜孔可以更好地形成气膜保护壁面，从而增强冷却效果；研究范围内，随着吹风比的增加，收敛缝形气膜孔的优势越加明显，虽然气膜孔出口处出现冷却效率稍低的现象，但在冷却范围、冷却效率以及冷却均匀性等方面均优于圆形孔，从而可起到改善冷却效果的作用。     

气膜冷却平板通道的数值模拟

对无肋和带45°肋气膜冷却平板通道的三维对流换热与导热耦合传热问题进行了数值模拟。网格划分采用非结构化网格,湍流模型为SSTk-ω模型,近壁处采用壁面函数法,采用SIMPLEC算法求解速度和压力的耦合。计算获得了无肋和带45°肋气膜冷却平板的流场分布和平板内外表面的平均温度和平均换热系数。计算结果表明,带45°肋的气膜冷却平板表面平均温度较无肋气膜冷却平板表面平均温度低,而近气膜孔区域冷、热表面平均换热系数较无肋时高,而且肋的存在对增大冷空气出流比有利。     

燃气轮机叶片气膜冷却研究进展

综述了近年来燃气轮机涡轮叶片气膜冷却技术的研究成果.介绍了气膜冷却的基本原理,总结了叶片端壁、顶部、前缘及尾缘区域气膜冷却的研究进展和气膜孔流量系数的研究状况,阐述了影响气膜冷却效果的各种因素及气膜冷却对气动损失的影响.最后指出将气膜冷却与其它涡轮叶片冷却技术相结合的复合冷却,应是未来涡轮叶片冷却技术的发展方向.     

压力面气膜冷却射流复合角的数值研究

基于冷气喷射模型的验证结果,对复合角分别为0°、30°和60°三种条件下的叶片压力面前部单排孔喷射的气膜冷却特性进行了三维环形叶栅数值模拟,详细分析了在不同吹风比条件下的叶片气膜冷却效率特征。分析结果表明:Coolinh/Bleed冷气喷射模型得出的预测结果可靠。复合角使射流孔附近孔间区域冷却效率值升高。低吹风比下,复合角不能改善展向气膜冷却效率分布的均匀性;高吹风比下,复合角使展向气膜冷却效率更加均匀分布,且可减弱冷却射流脱离壁面的程度。但是,复合角不一定能增强冷却孔下游的整体气膜冷却效果。     

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.     

燃烧室壁面冷却特性数值模拟

针对航空发动机与燃气轮机燃烧室温升提高带来的壁面冷却问题,采用数值模拟方法研究多斜孔、复合角、冲击/气膜3种不同壁面结构形式的冷却特性,对比分析燃烧室近壁面流场和温度场分布以及有效温比与阻力损失随冷却孔尺寸的变化规律。研究表明:在冷却空气质量流量保持不变时,改变冷却孔直径对3种壁面结构的冷却性能会产生显著影响,孔径越大,阻力损失越小,冷却效果越好;在冷空气单位面积质量流量为20 kg/(m~2·s)条件下,当多斜孔孔径由0.3 mm变为0.8 mm时,平均有效温比从0.775减少到0.451,阻力损失从0.117增加至0.140,热侧壁面平均温度升高280.316℃;冲击/气膜冷却结构明显优于相同孔径的复合角冷却结构与多斜孔冷却结构;冲击/气膜冷却结构后导流环处有效温比最高可达到0.95。     

尾迹对气膜冷却影响的三维非定常数值模拟

采用数值计算的方法，对带有前导静叶的涡轮动叶气膜冷却进行三维非定常数值计算，研究了静叶非定常尾迹对动叶气膜孔周围流场及绝热冷却效率的影响，同时比较了在吹风比M=0．8和M=1．5时动叶表面气膜冷却效果的变化。结果表明，静叶尾迹使动叶压力面和吸力面上冷却气流的流场发生改变，降低了叶片表面的气膜冷却效果。另外，吹风比从0．8增大到1．5时，静叶非定常尾迹对动叶气膜冷却效果的影响降低。     

扇形孔出口宽度对气膜冷却效率影响

数值模拟了不同出口宽度的扇形孔射流在不同吹风比下的气膜冷却效率,侧重于分析涡流结构和涡量对冷却效率的影响。结果表明,出口宽度增大不但减小了涡量,还改变了涡流方向。出口宽度增大到2.5倍入口直径时,孔中心下游冷气流线由燃气指向壁面,有效改进冷气贴附性。气膜孔出口宽度越大,冷却效率越大。随着吹风比的增加,气膜孔出口宽度对冷却效率影响越明显。     

涡轮叶片表面全气膜冷却传热实验研究

对全气膜覆盖的涡轮导向叶片的表面进行了详细的传热实验研究,重点研究了不同质流比和不同雷诺数对当地气膜冷却效率和换热系数的影响.实验结果表明:质流比(冷气质量流量和主流质量流量的比值)的变化会显著地影响叶片表面温度场的分布,从而影响叶片表面的换热和冷却效率;在同一质流比下,雷诺数对气膜冷却效率的影响则相对较小.全气膜冷却能够有效地降低叶片的热负荷,该结果可作为在工程实际中的参考.     

透平叶顶气膜冷却效果数值研究

采用三维数值模拟方法,研究了GE E3发动机第一级透平动叶叶顶间隙内的气膜流动与换热特性,评估了气膜吹风比M分别为0.5、1.0和1.5时,对叶顶换热系数以及冷却效率的影响.计算结果表明:叶顶气膜冷却空气改变了叶顶泄漏流动特性,随着吹风比的增加,叶顶间隙内的泄漏流动区域不断缩小,从而导致叶顶间隙泄漏量不断减小;随着气膜冷却吹风比的增大,叶顶平均换热系数逐步降低;在M=1时,冷却效果最佳.