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...     

热斑旋流对燃气透平高压静叶的影响研究

为了揭示热斑和旋流对燃气透平高压静叶的影响机制,本文运用自主开发的有限体积求解器,对LISA一级半透平受到正对通道中心的热斑旋流影响进行了数值计算研究。本文详细阐述了热斑和旋流在叶片通道内的流动过程,研究了其对燃气透平高压级静叶的温度分布、叶片表面压力分布的复杂影响以及热斑旋流通过静叶通道时热斑形态变化和通道内涡系结构变化。     

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...     

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。     

空冷透平静叶气膜冷却数值研究

为了深入了解空冷透平气膜冷却机理及三维流动特性,对某型燃气轮机透平静叶进行了详细的数值模拟。计算采用三维N-S方程有限体积解法,湍流模型为标准k-ε模型加改进的壁面函数方法,网格为非结构。计算域扩展到多排气膜冷却孔及与其相连的冷气通道内,求解亦包含所有冷却孔内部流动。根据计算结果重点对前缘气膜冷却复杂三维流动以及整个叶片的气膜冷却特性进行分析。     

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。     

多排叶片内部流动以及叶片排与排气系统相互作用研究

本文采用高分辨率格式和多块多网格方法求解雷诺平均Navier-Stokes方程,数值模拟多排叶片内的三维粘性流动;使用数值激盘模拟叶片排的存在,研究叶片排与非轴对称排气部件之间的相互作用以及复杂的内部流动。文中描述了数值方法,给出了NASA透平导叶和单级透平内部流场的数值结果及其与相应实验结果的对比,也给出了多级透平内部流场的数值结果,以及透平与排气部件之间的耦合流场的结果。     

基于数值模拟的燃机高压盘腔系统流动特性研究

增加燃气初温是提高燃气轮机效率的主要途径。为了确保充分冷却透平叶片与轮盘,在防止燃气入侵盘腔的同时降低冷气量,需要针对盘腔系统内的流动特性展开研究。高压涡轮盘腔系统含有预旋腔等多个腔室,通过转静封严或旋转孔相互连通。尽管国内外学者针对盘腔系统开展了一系列研究,但大部分以单一腔室为研究对象,很少考虑多个腔室,尤其是预旋腔上下游盘腔对预旋腔内流动特性的影响。因此,本文以某船用燃机高压涡轮盘腔系统为研究对象,采用CFD方法,模拟了盘腔系统内部的流量分配,预测了斜接受孔和平衡孔的通流能力,分析了盘腔内的压力、温度、速度场分布和涡系结构,并分析了燃气入侵现象。本文的研究结果可为研究复杂盘腔系统提供参考。     

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。     

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。     

轴流压缩机转子叶栅内粒子沉积及对其性能影响的数值研究

计算了一轴流压缩机入口级的三维流场,在此基础上,通过UDF引入作用于旋转坐标系下固体粒子上的附加 力,计算了该入口级动叶内粒子的运动轨迹和叶面上粒子的沉积分布情况,并在此基础上模拟了由于粒子沉积所引起的压 缩机动叶叶栅的性能恶化,为发展气动防沉三维叶片的优化设计提供了研究基础。     

γ-Re_θ转捩模型在内部冷却叶片中的应用

燃气轮机内部通流冷却叶片的流动传热特性对于燃机的整体效率有着重要的影响,而叶片表面的转捩流场一直是阻碍对叶片冷却性能进行精确分析的主要因素.本文采用SST湍流模型及γ-Re_θ转捩模型对MARK Ⅱ叶型进行数值模拟,通过分析叶栅通道内传热特性以考察该转捩模型的适应性,肯定了该转捩模型对于湍流边界层发生位置判断的正确性,以及对转捩发生点上游叶片表面温度变化趋势的预测的正确性.同时本文指出γ-Re_θ转捩模型与湍流模型结合时可能存在对湍动能过渡抑制的问题,有待进一步研究.     

凹槽叶顶冷气射流对涡轮叶尖泄漏流动的影响

涡轮叶尖泄漏流动对涡轮通道内流动损失有着显著影响,叶顶冷气射流对控制叶尖泄漏流动和改善涡轮叶尖气热性能有重要意义。本文利用数值模拟方法,研究了叶顶冷气喷射位置和喷射流量对高压涡轮凹槽叶顶间隙泄漏流动控制的影响。文中重点分析了泄漏流动结构及涡轮气动效率的变化,探讨了冷气对刮削涡这一间隙内主控流动结构演化的影响。研究表明,冷气孔位置的变化对间隙内刮削涡的演化造成了一定影响,但并未造成涡轮整体效率的较大变化;而冷气喷射流量不仅影响到刮削涡结构演化,而且导致了涡轮级效率近0.5%的变化。     

燃气轮机涡轮叶片冷却通道内的流动与传热研究

本文用实验方法研究了冷却气流在放入一倍模型涡轮叶片内通道的压力分布、冷热态阻力及局部换热系数分布。     

Computation of leading edge film cooling from a CONSOLE geometry (CONverging Slot hOLE)

The aim of this study is to investigate the effect of mass flow rate on film cooling effectiveness and heat transfer over a gas turbine rotor blade with three staggered rows of shower-head holes which are inclined at 30° to the spanwise direction, and are normal to the streamwise direction on the blade. To improve film cooling effectiveness, the standard cylindrical holes, located on the leading edge region, are replaced with the converging slot holes (console). The ANSYS CFX has been used for this computational simulation. The turbulence is approximated by a k-ε model. Detailed film effectiveness distributions are presented for different mass flow rate. The numerical results are compared with experimental data.     

Investigation into the direct laser forming process of steam turbine blade

In order to achieve high precision and unidirectional solidification microstructure of steam turbine blade fabricated by direct laser forming (DLF), this study is focused on the influence of the laser scanning speed, specific energy and powder feeding rate on the forming characteristics of single cladding pass, which is elementary units in DLF, and a new method of columnar crystal preparation is investigated. Results show that both the metal powder stream and the laser specific energy are the most important factors, that control the high temperature behavior of molten pool so as to determine the micro-morphology of laser scanning track. Based on the optimum processing conditions, high definition steam turbine blade of 316L is fabricated (surface roughness Ra of 10.08 to 26.51 μm or so). The microstructure is of fish scale type by natural cooling after DLF, but it is first found that columnar crystals can be formed on the non-columnar crystal substrate of 316L by intermittent cooling with liquid argon. Therefore, the above investigations will benefit the rapid development of steam turbine blade.     

高温涡轮叶片三种内冷通道冷却性能的实验研究

本文用实验方法研究了高温涡轮叶片三种内冷通道的压力分布、冷热态流阻及局部换热系数分布．叶片前部分别采用径向光滑通道、集中冲击冷却和分散冲击冷却三种结构，叶片后部则分别采用三排φ3扰流柱和五排φ2扰流柱稠密布置两种结构．对这三种结构进行了冷却性能比较，提出了该类冷却通道的最佳结构．     

二维拉格朗日坐标系下气粒混合双向耦合对激波流场影响的计算

喷射颗粒与气体混合是内爆压缩领域的热点和难点. 针对喷射混合中的气粒双向耦合问题, 开展了理论建模、离散算法以及颗粒反馈对激波流场的影响研究. 建立了拉格朗日计算框架下的数学模型; 给出了耦合源项的离散算法; 开展了平面及汇聚构型条件下, 气粒双向耦合的数值模拟研究; 发现了颗粒反馈导致气体激波提速现象以及气区流场物理量分布形态的改变, 初步获得了量化分析结果. 本文建立的数学模型、计算方法和获得的新的物理认识, 为深入理解喷射混合现象、解决相关工程应用问题提供了重要理论支撑.