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。     

定出流面积条件下气膜冷却孔型的研究

本文采用数值模拟的方法,在保持冷却射流出口面积不变的条件下,分析比较了圆柱形孔、扇形孔、双射流孔和带双肩形孔这几种气膜孔的冷却效果。研究结果表明:对于圆柱形孔,气膜冷却效率在吹风比M=0.5左右效率较高;对于扇形孔,在对应圆柱形孔吹风比M=1.5时的效率要优于低吹风比情况;对于双射流孔和带双肩形孔,在对应圆柱形孔吹风比M=1.0时的冷却效果更好。原因在于高吹风比情况下,圆柱形孔结构中冷却射流与高温主流形成较强的肾形涡,会使冷却气体脱离壁面,并将高温主流卷入冷却气膜层,从而破坏冷却效果,而扇形孔、双射流孔以及带双肩形孔能有效地抑制肾形涡对冷却流的提升作用,从而保持冷却气膜的贴壁性,提高了气膜冷却效率。     

气膜孔内流动结构对冷却效率的影响

涡轮叶片气膜孔内的流场结构对气膜射流下游的流动有着明显的影响。本文应用数值模拟的方法计算了平板上四种气膜冷却结构的孔内涡流场,从而分析气膜孔内涡结构对气膜冷却效率的作用规律。结果表明:当射流进入气膜孔并发生偏转时,气膜孔内会生成不同强度的旋转涡对;此对涡会导致气膜孔内射流能量的损失,并对主流内的肾型涡产生作用。当孔内涡对与主流肾型涡转向相同时,主流肾型涡湍流强度增加,气膜冷却效率下降;反之,当孔内涡转向与主流肾型涡相反时,主流肾型涡湍流强度降低,气膜冷却效率提升。通过对孔内涡结构的优化,文中所提的两种气膜孔改型结构能够有效地提高气膜冷却效率。     

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。     

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.     

锯齿电极等离子体激励器诱导流场特性分析

本文通过2D PIV及其CCD相机获取锯齿电极等离子体激励器在静态环境下诱导的流场结构以及放电图像。CCD相机拍摄的放电图像显示该激励器在锯齿中间存在一暗带区域,而不同截面的流场结果则验证了该型激励器能够诱导出带涡对三维射流结构,涡对贴近壁面向下游发展,并在激励器壁面上方诱导出下洗流。文中结合各拍摄截面的流场结构以及放电结构,分析了该型激励器诱导的流场结构特性,涡对发展规律和形成原因,以及锯齿电极激励器的放电特性,最后提出了其流场诱导机理模型。     

顺–逆向组合气膜孔在涡轮导叶端壁上的应用研究

本文利用经过试验数据验证的RANS方法，针对高压涡轮导向器端壁双排气膜冷却结构，研究了顺向以及不同顺/逆向组合气膜孔下的端壁流动和气膜冷却特性，探索了逆向孔在涡轮端壁上应用的可行性。结果表明：端壁周向整排逆向孔出流与主流的强烈掺混增强了马蹄涡和通道涡强度并降低了冷气动量，使冷气无法到达下游区域；逆向孔布置在中部近吸力侧的顺/逆向组合方案对端壁涡系影响较小，可使端壁上游冷效明显增加且下游冷效降低较少；逆向孔角度减小，冷效增加，但提升幅度有限；本文提出的顺/逆向组合孔在MFR=1～3的范围内，明显改善了顺向孔对端壁上游冷却有限的问题，使端壁65%轴向弦长之前区域气膜冷效明显提升，且对尾缘冷效的影响较小。     

基于Kriging代理模型的DBD等离子体控制叶顶泄漏流动研究

本文采用数值方法研究了布置于涡轮动叶叶顶的多个等离子体激励器组合对间隙泄漏流动的影响。结果表明:不同的极板数目和位置组合对间隙泄漏流量有着十分明显的影响。在叶顶沿吸力边布置等离子体激励器的最佳位置在大约55%S/Sps处,布置相同数目的等离子体激励器,在靠近尾缘处的控制效果要远好于在前缘附近的控制效果;等离子体激励器在叶顶靠近吸力边处产生诱导涡,阻碍了间隙内流体的流动,使泄漏流体的速度降低。同时还会使得分离泡的破碎提前,有利于减小掺混损失;对泄漏流动的控制效果不会随着等离子体极板数增加而持续增强,而存在一定限度,最优布置方式的泄漏流量较原型下降约46%,相应的出口截面能量损失下降了15.7%。     

对称式布局介质阻挡放电等离子体激励器诱导启动涡

为了进一步提高等离子体激励器控制能力,采用粒子图像测速仪技术,以介质阻挡放电等离子体激励器为研究对象,开展了有、无来流条件下等离子体诱导启动涡的实验研究,获得了来流对启动涡发展演化及生存时间的影响.与传统非对称布局介质阻挡放电等离子体激励器相比,本文采用整个平板金属模型作为植入电极的对称布局方式开展研究.在金属模型表面粘贴聚酰亚胺胶带作为绝缘介质.将铜箔作为暴露电极沿平板展向布置,使激励器诱导气流沿流向方向.研究结果表明:对称布局式激励器会在暴露电极两侧产生一对方向相反的启动涡.在顺流向方向,来流加速了启动涡的破碎;在逆来流方向,来流延长了启动涡的生存时间,从而增加了激励器的掺混能力.该布局激励器具有掺混及射流效应两种能力,为提高等离子体激励器在高风速或高雷诺数下的控制效果积累了技术基础.     

湍流黏性修正在不同孔型气膜计算中的应用

燃气轮机气膜冷却流动中的复杂涡系使得其湍流黏性系数体现出很强的各向异性。本文采用作者提出的代数各向异性湍流黏性系数修正方法(AAEV方法),对不同孔型气膜冷却进行了研究。文中结合平板圆孔、扇形孔气膜冷却实验结果,将传统的湍流模型与修正后的湍流模型获得的模拟结果与实验值进行了比较,得到修正后的结果与实验有较好的吻合度。修正后的湍流模型对不同的孔型有很好的适用性,同时揭示了两种孔不同的三维特性。     

等离子体气动激励器布局对放电特性与加速效果的影响

在常规大气环境下,对常规、半圆和锯齿三种不同布局的等离子体气动激励器的放电特性与加速效果进行了实验研究,对不同激励参数下的频率与放电电压和频率与放电电流以及等离子体气动激励器诱导的边界层速度进行了测量。实验结果表明：当等离子气动激励器基本设计参数相同时,布局形式的改变使得放电电压和放电电流参数值发生变化,但其谐振频率保持不变,诱导气流速度则相应的发生改变;实验中还发现,半圆、锯齿等离子体气动激励器放电时离子流对绝缘材料有很强的破坏作用。     

透平叶栅气膜冷却损失分析

本文通过数值模拟的方法,研究了在不同吹风比条件下透平叶片压力面和吸力面气膜冷却对叶栅气动损失的影响,采用损失分离方法,分析了各部分损失的变化规律。结果表明,气膜冷却引起的损失与冷气射流与主流的动能比成正比;孔内损失随吹风比迅速增加,高吹风比下不可忽略;低速条件下温差传热不可逆损失是气膜冷却不可逆损失的主要来源;气膜冷却有可能减小边界层内的损失。     

射流旋涡发生器对高速扩压叶栅端区流动的影响

在进口马赫数Ma=0.67的高速平面扩压叶栅端壁采用射流旋涡发生器以控制其二次流动。数值模拟结果表明:射流旋涡可有效抑制端壁附面层横向迁移,增强端区与主流间的流体掺混,从而显著减弱角区低能流体堆积,推迟吸力面侧流动分离,减少栅内损失,增强气流折转能力。随着来流冲角的增加,栅内损失减小越明显,当i=4°,仅采用相当于叶栅进口流量0.2%的射流量,即可使得总压损失减小高达13%。     

非设计攻角下气膜冷却掺混损失模化研究

气膜冷却能够对涡轮叶片表面起到良好的保护作用,但是在非设计状态下,边界层、冷气与主流的相互作用对涡轮气动性能产生不利影响。采用数值模拟的方法,研究了不同来流攻角下冷气的气动参数对掺混损失的影响规律。根据冷气与主流的动能比将主流与冷气的掺混过程分为低吹风比和高吹风比两种典型的模式。当动能比大于1时,掺混损失与动能比存在着线性关系;当动能比小于1时,掺混损失与吹风比存在着线性关系。基于主流与冷气不同的掺混模式并考虑攻角的影响,发展了一种预测非设计攻角下掺混损失的模型进行了初步验证。结果表明,大部分工况下掺混损失的预测结果与数值模拟结果的偏差在10%之内。     

富燃燃气热物性对气膜冷却特性影响数值研究

为明晰富燃燃气物性变化对气膜冷却的影响规律,本文分别构建了不同热导率的定物性模型和考虑化学平衡的变物性模型,通过数值求解定常RANS方程,获取了定压比热和热导率变化对温度和热负荷分布的影响效应。结果表明：相比于定物性模型,变物性下富燃燃气与冷气的掺混导致混合气比热和热导率降低,近壁区域平均温度最大增加2.557%、热流最大降低24.995%;混合气物性变化引起近壁区剪切应变率降低,冷气与主流剪切形成肾型涡强度减小,冷气耗散变慢,气膜覆盖性变好。     

非轴对称端壁改善涡轮叶栅流场研究

以Pack B涡轮平面叶栅为研究对象,采用非轴对称端壁造型方法,以减少涡轮叶栅总压损失为优化目标,进行了涡轮叶栅的非轴对称端壁优化设计,优化后的总压损失减小了11.83%。通过对叶栅的下端壁以及上下端壁进行非轴对称造型并与原型光壁模型进行全叶高流场对比分析表明:非轴对称造型对几乎全叶高的总压损失分布产生影响,大幅减小了20%和80%叶高附近的总压损失,对气流角和下游涡强度的影响局限在近造型壁面侧的30%叶高内。     

自耦合射流强化掺混的数值研究

针对同向两股气流掺混的某一特定物理模型,对自耦合射流作用下的气流掺混过程进行了数值模拟研究.与未施加自耦合射流激励的掺混过程相比,自耦合射流周期性的吹/吸诱导流场内产生复杂的大尺度涡系结构,使得同向两股气流形成对流型混合,有效缩减了主流核心区长度;相对于在燃烧室单侧放置激励器的方式,双侧自耦合射流激励时温度均匀分布线较...     

封严腔几何特征对涡轮性能的影响

在涡轮转静叶片排之间喷入冷气可以阻止高温燃气进入盘腔,但是冷气与主流的掺混损失对涡轮气动性能不利。本文采用数值计算的方法,研究了转静叶片排之间封严腔轴向位置和轴向间隙的变化对涡轮性能和端区流动的影响。结果表明,封严出流与主流的剪切作用形成了诱导涡,诱导涡随后发展成为通道涡并占据了端区二次流的主导地位。封严腔轴向位置和轴向间隙的改变使等熵效率和封严效率产生了相反的变化,因此在设计时要兼顾气动性能和冷却要求进行综合考虑。     

带冠喷气涡轮叶栅气动性能研究

多种控制技术耦合应用是涡轮叶栅间隙泄漏流动研究的趋势之一。结合围带与喷气两种控制方法,本文通过实验与数值模拟研究了喷气对带冠涡轮叶栅气动性能的影响机理,探讨了测量截面上的损失分布以及叶栅通道内涡系的演变规律。研究发现,与带冠无喷气叶栅相比,喷气改变了泄漏流体的流动方向,使泄漏涡尺寸有所增加。但喷气改善了叶顶附近总压分布,因而0.3%主流流量喷气使叶栅气动性有所提高。喷气可以降低间隙入口流量,且由于喷气量小于减小的间隙入口主流流量,因而带冠叶栅中,喷气使间隙出口流流量减小。     

端壁射流控制扩压叶栅内流动的参数研究

以50°折转角扩压叶栅为对象,数值研究了端壁射流参数对栅内分离流动的影响规律。结果表明:端壁射流可以有效减弱扩压叶栅内的流动分离,马赫数为0.23时最高可降低9.5%的总压损失;射流诱导旋涡可以阻止通道涡的横向迁移,并将主流高能流体卷入角区,角区流体动量增加;流向涡的位置与强度对控制效果有较大影响,其合理位置是叶栅前方、靠近吸力面,并且强度应适中以避免过大的掺混损失;在入口高马赫数条件下也取得了良好的效果。