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。     

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。     

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...     

冷却结构参数对气膜/冲击复合结构冷却性能的影响研究

采用气热耦合数值计算方法,研究了带有气膜/冲击复合冷却平板结构的冷却性能,分析了三种气膜孔结构(单排圆柱孔、双排圆柱孔和单排扇形孔)、不同冲击孔径、冲击距离对综合冷却效率、冲击壁面换热特性以及气膜流场结构的影响。计算结果表明,内部冲击冷却对综合冷却效率的影响程度因外部气膜冷却结构不同而不同;冲击孔径不同不仅会影响内部冲击冷却效果,同时也对外部气膜冷却的流场结构和冷却效率有所影响。     

叶片冲击/气膜复合冷却的数值研究

应用数值方法研究了燃气轮机透平叶片冲击/气膜复合冷却特性。首先对湍流模型进行了考核,根据与已有试验数据的比较,数值计算选用与试验结果吻合最好的SST k-ω模型进行。然后分析了不同吹风比下叶片前缘内部冲击冷却和外部气膜冷却的流动和换热特性。结果表明:冲击室内,平均努塞尔数在叶根处最低,沿叶高方向逐渐增大,从某一叶高处开始在一定的范围内波动。随着吹风比的提高,冲击室内周向平均努塞尔数及其峰值都增大,气膜孔附近的气膜冷却效率降低,气膜孔下游的气膜冷却效率增加。     

复合冲击和复合旋流冷却特性的对比研究

针对应用旋流冷却和气膜冷却对涡轮叶片前缘区进行冷却系统设计的科学命题,首次建立了包含冷气腔、冲击/旋流腔、气膜孔和燃气主流通道的复合冲击和复合旋流冷却模型,利用数值方法在相同几何和气动条件下对比了复合冲击和复合旋流冷却的流动换热特性.研究结果表明:冲击孔/旋流喷嘴流量沿X方向逐渐增大,吹风比沿X方向先增大后减小.复合冲击冷却的气膜孔流量和吹风比沿X方向略有增大,复合旋流冷却气膜孔流量和吹风比沿X方向减小.复合旋流冷却平均Nu比复合冲击冷却提升13.0%.气膜孔会扰动冷气流动,使附近小范围区域Nu提升.与复合冲击冷却相比,复合旋流冷却气膜孔的冷气流量和速度大,肾型对涡强度高,绝热气膜冷却效率减小.     

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。     

多参数对叶顶气膜冷却的影响

基于压力敏感漆(PSP)实验技术,本文研究了某F级重型燃机一级动叶平面叶顶和凹槽叶顶在不同冷却射流与主流质量流量比,不同密度比和不同叶顶间隙大小等多参数影响下的气膜冷却特性。平面叶顶冷却射流在气膜孔后往吸力面覆盖,凹槽叶顶在槽内形成回旋涡,冷却射流往压力面覆盖并向尾缘形成累积效应。平面叶顶和凹槽叶顶气膜冷却效率均随质量流量比的增大而增大。密度比增大,冷却射流出口动量减小,抑制了叶顶气膜垂直射流的吹离趋势,从而提高气膜冷却效果。叶顶间隙与叶顶形状、质量流量比等参数对气膜冷却效率有关联影响;间隙增大,气膜冷却效率在不同工况下的表现不同。另外凹槽叶顶的整体气膜冷却效果优于同等条件的平面叶顶。     

透平静叶叶身全覆盖气膜冷却有效度实验研究

燃气轮机透平叶片气膜冷却性能受到吹风比、曲率、压力梯度等多种因素的影响。本文采用压力敏感漆(PSP)技术研究了燃气轮机静叶气膜冷却的冷却性能,实验测量了不同吹风比下全覆盖气膜的冷却有效度,并结合单排孔冷却的实验结果进行分析。结果表明：随吹风比增大,压力面冷却有效度递增,吸力面受曲率和压力梯度影响,冷却有效度先递增后递减;前缘射流在低吹风比下附壁效果较好,高吹风比下由于复合角造成冷气向中叶展汇聚;通过对比单排冷却的叠加结果与全覆盖实验结果的误差,研究了Sellers叠加模型在叶栅条件下的适用性。     

新型反对称涡气膜冷却结构设计及其数值研究

针对中.高吹风比下容易产生反向涡对的问题,为了改善中、高吹风比下气膜孔的冷却效率,进行了新型抗涡气膜孔的设计和研发工作.根据造型参数不同,设计了四种新型反对称涡气膜孔结构,首先研究了不同几何结构的新型气膜冷却孔对平板气膜冷却特性的影响.然后将反对称涡新型气膜冷却结构运用于叶栅端壁,前缘冷却孔排采用了不同冷却结构的单,双...     

新型双射流冷却孔对气膜冷却效率影响的研究

气膜冷却是现代航空燃气轮机涡轮冷却技术的一种重要方法,冷却孔形状的改进是提高气膜冷却效率的重要手段。本文对双射流冷却孔形状进行了改型,并对新型双射流冷却孔在吹风比分别为0．5,1．0,1．5,2．0时的冷却效率进行了数值模拟。模拟结果表明新型双射流冷却孔与原双射流冷却孔相比在各吹风比下均优化了气膜在热表面上的分布,抑制...     

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。     

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。     

冲击/发散冷却气膜冷却效率的实验研究

采用红外热像仪对冲击/发散冷却发散壁绝热壁温进行了测试,研究了气膜冷却效率随吹风比、孔间距、冲击间距、发散孔角度及排列方式的变化规律.研究结果表明,气膜冷却效率随发散孔角度的不同而差异较大;35°发散孔的冷却效率随吹风比的增大而减小,90°发散孔的冷却效率随吹风比的变化因孔阵布置方式的不同而有所差异;冲击间距对90°发散孔的冷却效率影响微弱,对35°发散孔的冷却效率影响较大;吹风比相同,孔间距越小冷却效率越高.     

涡轮动叶吸力侧单排气膜孔冷却性能研究

本文通过数值模拟的方法,针对涡轮叶片吸力侧的单排气膜孔,研究了无量纲气膜孔出流位置、气膜孔复合角度和冷却空气质量流量占比对其气膜冷却效率与气动掺混损失的影响。结果表明,对于近前缘气膜孔,0.5%的冷却空气质量流量可以在保证较好的气动效率的同时在下游附近提供较高的绝热气膜冷却效率;对于中后部气膜孔,90°的气膜孔导致的掺混损失比相同冷气量的近前缘气膜孔高出一倍,此时复合角为60°的气膜孔有更好的气膜冷却效果。对比不同的孔排位置,位于流向位置0.3的气膜孔可以在下游较大区域取得良好的冷却效果,而且不引起过大的掺混损失。     

热斑迁移路径上非定常气膜冷却特性研究

热斑在涡轮级中迁移会引起叶片局部温度过高,影响叶片使用寿命。本文在涡轮进口存在热斑的工况下,对整级涡轮叶栅进行数值模拟,研究热斑迁移路径上的气膜非定常冷却特性。结果表明:气膜孔附近区域流场和温度场的变化与主流周期性相同,动叶前缘经历热斑流场的时间约占整个周期的1/4。叶片前缘冷却射流可以冲散到达叶片前缘的热斑高温流体,热斑核心温度降低。采用压力脉动的气膜冷却的冷却效率低于常规气膜冷却,冷却效率随脉动频率的升高而增大。     

不同吹风比下平面叶栅气膜冷却数值模拟

本文对具有多排冷却孔的某叶栅进行了气膜冷却数值模拟,计算了三种湍流模型在不同吹风比下叶片表面的气膜冷却效率。将数值计算结果与采用压力敏感漆实验技术测量的叶片表面气膜冷却效率分布进行了对比,比较了不同湍流模型的预测准确性,并验证了数值计算对平面叶栅气膜冷却定性预测的可行性。     

涡轮叶顶冷却布置对叶顶传热冷却性能的影响

本文采用数值模拟的方法,对比分析了1+1/2对转涡轮四种不同的叶顶冷却布置方案对叶顶传热、冷却性能以及气动特性的影响。四种布置方案分别是:靠近压力面垂直叶顶方向、靠近压力面且与叶顶有30°出射角、中弧线位置垂直叶顶方向、中弧线位置有30°出射角。研究表明,气膜孔沿压力面布置与气膜孔沿中弧线布置相比可以降低叶顶传热系数;由于气膜孔倾斜布置气膜射流动量降低,且削弱了肾形涡的影响,气膜的侧向覆盖范围增大。因此气膜孔靠近压力面布置可以提高气膜冷却效率;气膜孔靠近压力面且有30°出射角比垂直布置叶顶热负荷减少2.7%。另外,气膜孔靠近压力面布置可以降低主流的泄漏流量,有利于减小泄漏损失和提高涡轮效率。     

叶顶下游孔位对气膜冷却特性影响的数值研究

本文通过数值模拟方法对凹槽叶顶区的气膜孔的位置进行了研究,通过将一个下游气膜孔布置在叶顶前缘来研究气膜孔位置对叶顶区传热的影响。数值模拟结果表明,下游区气膜孔被布置到前缘区,改善了叶顶前缘的低绝热冷却效率区,获得了均匀的气膜保护,同时对下游区的气膜冷却效率影响不大,无论是放在前缘第一气膜孔上游还是靠近吸力边布置,下游区绝热效率和平均传热系数几乎不受该气膜孔在前缘位置的影响。     

基于多精度代理模型的高效异型气膜孔设计优化和实验验证

为了提升燃气轮机热端部件表面的气膜冷却效果,本文发展了一套基于多精度代理模型的高效气膜孔优化方法,通过对气膜孔孔型进行优化得到最优的气膜冷却效率。与传统的代理模型优化方法相比,本文构建的多精度代理模型优化方法能有效结合实验数据与高精度数值计算,在保证准确度的同时使优化效率提升64.5%。本文针对业界广泛使用的一种气膜孔进行优化设计,选取后倾角、侧扩角和孔长径比作为三个设计变量,采用遗传算法和序列二次规划混合方法进行优化。并采用3D打印和PSP测量技术对优化孔型进行验证,发现和初始孔型相比优化孔型的面平均气膜冷却效率提升39%。本文的工作证明了多精度代理模型在气膜冷却优化方面的有效性。