燃烧室出口辐射对气膜冷却传热影响研究

燃气轮机高温透平中包含对流/导热/辐射等复杂传热现象。本文依托高温流热固耦合实验台,提出燃烧室与透平联合计算的方法,采用数值模拟和实验对比的方式分析了平板气膜冷却的对流/导热/辐射传热特性。同时研究了不同燃气吸收系数以及不同进口辐射条件对于平板气膜冷却的表面温度分布的影响。结果表明:辐射传热是燃气轮机首级高温叶片传热特性的重要影响因素,辐射传热使得实验平板温度抬升50～70 K,燃烧室/透平联合计算方法有效地分析了燃烧室出口辐射强度对高温平板气膜冷却辐射传热的影响;高温燃气辐射特性对于平板温度分布具有明显影响。     

水蒸气含量对高温平板气膜冷却传热影响研究

IGCC系统中新一代先进燃气轮机透平通流部分处于高温高湿的工作环境,因此其内部流动存在固有的复杂的流热耦合问题。为指导燃气轮机透平叶片冷却系统设计必须开展对流热耦合问题的试验与数值研究。本文在一平板气膜冷却流热耦合实验台上开展了模拟新一代燃气轮机透平通流部分高温高湿工作条件的流热耦合机理研究,并进行了数值模拟。研究工作...     

多场耦合下透平冷却高温影响特性

透平进口温度持续提高,使得实验测试条件难以实现全温全压的测量,往往采用降温降压工况。本文采用耦合数值方法,分别针对耦合气膜冷却平板及耦合叶栅模型,分析多场耦合下的高-低温传热特征,探索透平冷却温度水平影响特性及机理。研究表明,综合冷却效率分布受金属、流体物性及内外部冷却多方面综合影响;比较无量纲参数相同的高-低温工况,高温使得有TBC涂层时综合冷效偏高,无TBC涂层时综合冷效偏低;无量纲参数相同的高-低温工况,在平板上综合冷却效率分布规律基本一致,在叶栅表面压力面和前缘较为一致,其余部分相差较多;在一定的温度差距内,高-低温工况结果仍可保持一定的一致性。     

热障涂层对气膜冷却影响的数值研究

涡轮叶片常采用气膜冷却和热障涂层协同配合的方式以进一步提升其耐温性能。由于热障涂层的低导热特性,不仅阻隔了主流燃气的加热,同时还削弱了气膜冷却,引发了二者间的矛盾。本文围绕着该矛盾问题,基于气膜绝对覆盖面积的概念,提出了对热障涂层涂敷区域进行优化设计的思想,通过涂层对气膜覆盖的避让来进一步强化冷却。构建了五种采用不同冷却措施组合的研究模型,并推导了考虑涂层后的对流换热系数简便等效折算方法。通过数值仿真获得了不同吹风比工况下各模型的壁面(T_W2)温度分布和综合冷却效果(η)变化曲线。评估了采用涂敷区域优化带来的收益：在吹风比为0.8的工况下,可使综合冷效相对优化前最大提升2.13%。     

气膜冷却布置对前缘流动传热的影响

透平一级静叶前缘是高温燃气滞止的区域,承受着整个叶片最高的热负荷,是极为重要的冷却部位。本文首先通过压力敏感漆实验得到了前缘在不同布置、吹风比、密度比情况下的绝热气膜冷却有效度分布,结合数值所给出的详细流场和传热信息,深入剖析了前缘气膜冷却的流动传热机制。     

气膜孔角度对动叶前缘冲击/气膜复合冷却的影响

本文针对GE-E3第一级动叶前缘的冲击/气膜复合冷却结构进行了热流耦合数值研究。采用标准k-ω湍流模型,分析了前缘气膜孔对称布置时,其角度对透平动叶前缘冲击/气膜复合冷却特性的影响;在五种冷气质量流量比(MFR=0.005,0.010,0.016,0.020,0.025)下,研究了气膜孔在不同角度(β=20°,25°,30°,40°,50°,60°)时的透平动叶前缘冷却换热效果。研究结果表明:在本文研究范围内,气膜孔角度越小,透平动叶前缘的平均综合冷却效率越高;随着冷气质量流量比增大,透平动叶前缘的平均综合冷却效率逐渐提高。     

异型辐射元件综合强化辐射对流换热的研究

本文研究了高温空气预热器内综合强化辐射对流换热问题,针对其传热机理,提出以异型辐射板作为强化传热元件,借以同时强化烟气侧的辐射和对流换热,在所建立的辐射对流耦合传热模型基础上进行的数值计算和试验结果有力地支持了作者所提出的方案,具有较大的推广应用价值。     

综合冷却效率多参数影响分析

先进的透平冷却技术趋于复杂化、多样化,冷却系统的综合冷却效果是各冷却部件共同作用的结果。本文针对冷却传热构建基于冷气温升系数和内外换热比的一维耦合传热关联式,并借助绝热/耦合实验结果进行适用性验证,进而进行综合冷却效率的多参数影响定量分析和敏感性分析.研究表明,所构建的一维耦合传热模型能够分离各局部冷却参数的影响·,其在预测综合冷却效率上与实验测量结果吻合较好,其适用性得到验证·;各局部冷却参数中,气膜效率、内部换热系数、热障涂层毕渥数与综合冷却效率正相关,冷气温升系数,金属毕渥数与综合冷却效率负相关;热障涂层的存在会削弱内外冷却参数的敏感性;通过对综合冷却效率等值线图的分析,可以进一步得到各参数细节的定量及敏感性分析结论。     

基于BP神经网络的多参数气膜冷却效率研究

气膜冷却作为当代燃机高温透平中必需的冷却手段,其冷却性能在多种参数的影响下表现复杂。采用BP神经网络模型对多种几何、流动参数变化下的气膜冷却系统的绝热气膜冷却效率进行预测。选择气膜冷却系统的吹风比、密度比、主流湍流度、面积比和长径比作为神经网络的输入参数,以燃气轮机透平叶片气膜冷却的实际运行工况为范围建立数据库。计算结果表明,采用贝叶斯归一化法训练后建立的气膜冷却神经网络模型在预测精度上要优于经验公式法,而且参数适用范围更广,具有良好的发展应用前景。     

主流流向压力梯度对气膜冷却效率的影响

气膜冷却被广泛地应用在现代透平冷却设计中.由于叶栅环境的复杂性,叶栅气膜冷却特性与平板气膜冷却表现很不相同,主流流向压力梯度是叶栅流动的重要特征之一。本文采用PSP技术研究了不同流向压力梯度下的绝热气膜冷却效率,并同时进行了相应工况下的数值研究,来获得更详细的流场信息,以揭示流向压力梯度对气膜冷却有效度的影响机理.研究发现,低吹风比下,气膜冷却效率随流向顺压增大而提高,而高吹风比下,流向压力梯度对气膜冷却效率影响不大。     

带肋气膜冷却平板的数值模拟研究

本文对不带肋和带45°肋气膜冷却平板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SSTκ-ε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。计算获得了不带肋和带45°肋气膜冷却平板的流场分布和平板内外表面的换热系数值。结果表明带45°肋的气膜冷却平板通道流场结构比较复杂,平板表面平均温度较无肋气膜冷却平板表面平均温度下降,而在近气膜孔区域冷、热表面平均换热系数较无肋时增大。     

气膜和冲击复合冷却结构耦合传热数值研究

本文采用数值方法研究了气膜和冲击复合冷却结构的耦合传热和综合冷效。复合冷却平板模型布置有两个交错气膜孔和若干排冲击孔,气膜孔和冲击孔均采用圆柱孔型。分别研究了吹风比和冷气量分配对综合冷效、流场结构和对流换热特性等的影响规律,结果表明:复合冷却综合冷效明显受到吹风比影响;适当调节冷气量的分配,能够明显提高综合冷效。     

燃气轮机一级透平动静叶交互作用的气膜非定常特性及泛冷却效应:Part 1-静叶栅

采用三维非定常数值模拟计算某重型燃气轮机第一级透平的全气膜冷却特性,探讨级环境下静叶表面与静叶端壁及动叶表面与动叶平台的气膜非定常特性及泛冷却效应。燃气轮机泛冷却是指燃气轮机透平冷却气体出流在非设计位置所引起的附加效果。该部分工作包含两部分内容,其中第一部分关注级环境下静叶全气膜及燃烧室与静叶间的环缝密封出流在静叶端壁上的气膜覆盖,以及环缝密封出流在下游静叶栅中所形成的泛冷却效应。结果表明,在时均来流条件下,静叶表面及端壁气膜冷却效率分布非定常特征并不明显;燃烧室与静叶环缝密封出流在端壁上形成气膜覆盖,同时在静叶吸力面轴向Z/C>0.5和叶高S/H<10%区域形成泛冷却效应,且泛冷却效率随着环缝密封流量的增大而呈指数关系快速上升,设计工况下最大泛冷却效率达0.11。     

密度比和吹风比对透平静叶气膜冷却的影响

燃气轮机中冷却空气和高温燃气的密度比和吹风比是影响透平叶片气膜冷却性能重要因素。本文采用压力敏感漆技术,对燃气轮机第一级静叶栅气膜冷却的冷却性能进行了实验研究。实验中测量了静叶栅在不同密度比（1．5／1．0）和不同吹风比条件下的冷却效率。密度比的改变射流的出口动量,造成射流出口的流动特征发生变化,从而影响冷却效率,影响...     

高温透平气热耦合通流设计与分析

透平冷却技术的广泛应用带来了冷却透平中主流流动和传热过程的复杂耦合问题。传统透平设计过程中,通常将气动设计与冷却设计分开进行,因而难以充分考虑二者之间的相互影响。本文在某高温轴流透平的初步设计中采用了一种气热耦合的通流设计方法,该方法在传统通流计算的基础上引入了冷却计算模型,并以通流计算得到的主流流场参数作为传热计算的边界条件,由此求得透平所需冷气量及主流流场参数。本文采用ANSYS CFX对设计透平进行了性能分析,结果表明该气热耦合通流设计方法可以在透平初步设计阶段提供较大的借鉴意义。     

耦合传热和冷却流通道流动对气膜冷却的影响

本文通过数值模拟的方法同时考虑了耦合传热和冷却流通道流动对气膜冷却的影响.计算结果表明,在考虑耦合传热的情况下,冷却流通道流动的影响仍然存在,但随着壁面导热系数的增大,这种影响减弱;同时在考虑耦合传热的情况下,受保护壁面温度场分布更加均匀,冷却效果更好.计算结果还表明吹风比为0.5时的冷却效果优于吹风比为1.0的情况.     

带气膜孔内部冷却通道的流动传热特性

燃气轮机高温透平内部冷却通道中弯头、肋片和气膜孔之间存在着复杂的交互作用。本文采用瞬态液晶技术对光滑通道、无抽吸的带肋通道和有气膜孔抽吸的带肋通道的表面传热分布和沿程压力损失进行了详细测量,同时采用RANS数值模拟方法研究其流场特性。结果表明180°弯头产生的大分离是压力损失的主要因素,45°斜肋片产生的螺旋形流动在弯头与大分离交互作用明显,气膜孔抽吸破坏孔附近边界层使得肋间传热而相对集中于孔附近。在13%抽吸量条件下,气膜孔抽吸降低U型通道中压力损失约20%,同时保持传热强化程度与无抽吸工况相同。     

各向异性复合材料平板气膜冷却试验研究

针对导热系数各向异性的长纤维增韧复合材料平板,开展了气膜冷却效果的试验研究,详细分析了复合材料各向异性导热系数主方向同气膜出流角之间的偏角对气膜覆盖壁面冷却效果的影响.研究中发现,不同的偏角工况下,由于材料内部不同方向上导热能力的差异,气膜冷却的综合效果发生了较明显的改变.试验结果表明流向偏角α的增加,使得气膜覆盖壁面的平均综合冷却效率和温度分布均匀性均得到提升;展向偏角β对气膜覆盖壁面的平均综合冷却效率影响不大,但是β增加时,壁面温度分布的均匀性得到一定程度的改善。     

带肋通道和气膜冷却交互下的绝热和耦合传热研究

燃气轮机透平叶片冷却中,内部肋片扰流对气膜冷却效果有显著影响,当边界条件为金属壁面绝热和金属壁面耦合时,冷却效率会有不同的表现。本文采用数值计算方法,分别计算绝热边界和耦合边界条件下,气膜孔进口与内部冷却扰流肋片不同相对位置条件下的绝热气膜冷却效率和耦合条件下的整体冷却效率进行计算。结果表明当气膜进口位于肋后扰流区时,绝热气膜冷却效率较差。绝热边界和耦合边界条件下流场相似,气膜孔与肋片相对位置对于气膜孔下游整体冷却效率的影响与绝热条件相似。     

非能动传热球床堆有效导热系数的壁面效应分析

本文针对非能动传热机制下简单立方球床堆有效导热系数进行了数值研究,根据有效导热系数的空间分布特性,对球床堆的近壁面区域和主体区域作了划分;分析了不同非能动传热机制下的有效导热系数的壁面效应;最后分析了导热、辐射和自然对流对近壁面和主体区域有效导热系数的贡献。结果发现,近壁面区域是在壁面附近一个球径范围内的区域;由于辐射和自然对流的影响,相同温度下近壁面有效导热系数比主体区域的有效导热系数小了近15%。当温度分别超过950 K和1080 K时,辐射成为球床堆主体区域和近壁面区域的主导传热机制;自然对流对有效导热系数的贡献并不大,当温度超过600 K时,自然对流可以忽略。研究结果可以为高温球床堆的设计与优化提供理论基础。