1+1/2对转涡轮高压动叶气膜冷却数值研究

对1 1/2对转涡轮高压动叶设计了冷却方案,在高压动叶前缘滞止线,压力面和吸力面分别开设了冷却孔,并对冷却方案进行了三维数值模拟.为了研究变工况下,高压动叶气膜冷却性能,对三种典型的工况进行了详细的数值模拟.研究了不同转速对高压动叶前缘冷却效果的影响,以及吹风比对高压动叶前缘气膜冷却效果的影响;给出了前缘、压力面、吸力面冷气射流的流动特征;分析了冷气喷射对高压动叶型面马赫数,型面压力的影响.最后探讨了高压动叶吸力面后部70%轴向弦长处冷气喷射对高压动叶通道内波系结构的影响.     

涡轮转速对无导叶对转涡轮流动特性的影响

为了探究无导叶对转涡轮在不同涡轮转速下的流动特性,运用CFD方法对某无导叶对转涡轮模型级的流场进行了三维定常多叶片排的数值模拟.结果表明,涡轮转速的变化对无导叶对转涡轮的喉部位置基本没有影响;随涡轮转速的升高,高压动叶内的激波损失增大,低压动叶内的激波损失减小,源生于低压动叶吸力面上的激波沿吸力面向尾缘移动;对于远离设计点的非设计工况,流动分离损失及低压动叶中的激波损失构成了对转涡轮损失中的主体;涡轮转速的变化对高低压动叶出口气流角及高压动叶出口马赫数的影响作用较大;高低压涡轮出功比、对转涡轮的总功率及等熵效率均随涡轮转速的增大而增大.     

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。     

1+1/2对转涡轮低压动叶激波结构的研究

本文对1 1／2对转涡轮低压动叶中激波结构等进行了详细的数值模拟．通过对流道中静压和马赫数等参数的分析发现,当高压动叶外伸波扫过低压动叶流道时,低压动叶前缘吸力面处产生了一道脱体弧形激波,流道中吸力面上产生了一道正激波,在脱体激波和正激波之间,存在着较强的膨胀波,这种分布与跨音压气机叶栅中的波系结构相似．当高压动叶尾迹扫过低压动叶时,低压动叶吸力面的压力会产生明显的波动,出现一个随时间变化的低压区．     

背压对缩放型流道涡轮动叶激波结构的影响

本文采用数值模拟的方法对具有缩放型流道动叶的涡轮级中的激波结构进行了数值研究.在近设计工况下,随叶高的不同,缩放型流道动叶尾缘的相对马赫数分布不同,尾缘燕尾型激波的强弱及其在相邻叶片吸力面的反射波也不同.由于叶片吸力面60%轴向弦长处为一内凹壁面,在该处将会产生一束较强的微弱压缩波,在叶片顶部,该微弱压缩波在通过燕尾波后不远处即发展为一较强的斜激波.随背压增加,动叶尾缘燕尾形激波及其在相邻叶片吸力面上反射波的强度会发生变化,一般来说会减弱,但叶顶由于微弱压缩波所形成的激波会得到强化.     

吸力面凸台对缩放型流道涡轮动叶气动性能影响的数值研究

本文采用数值模拟的方法对1+1/2对转涡轮高压动叶吸力面内伸波作用位置添加凸台以降低激波损失的机理进行了研究。通过详细的数值模拟及流场分析可知,加凸台对于涡轮级间的匹配关系不会带来明显的影响,合适的凸台位置及高度能有效地抑制内伸波引起的边界层分离,并在一定程度上减小内伸波的强度,提高涡轮效率.本文研究结果显示,当凸台位于高压动叶吸力面84%～86%轴向弦长,最大高度为1 mm,且与叶片表面光滑连接时,效果最佳,此时涡轮效率提高约0.11%。     

1+1/2对转涡轮中激波结构的数值研究

本文对1 1／2对转涡轮中激波及激波／叶排干扰等进行了详细的数值模拟。分析发现,1 1／2对转涡轮高压动叶流道中压缩波系与常规涡轮流道中的压缩波系存在明显的不同。1 1／2对转涡轮高压动叶吸力面60％轴向弦长处产生了一组压缩波,它与内伸波相交。在常规涡轮中,这组压缩波将不会出现;内伸波在吸力面的反射波很强,不能忽略。在常规涡轮中,内伸波的反射波可以忽略。由于尾迹及低压动叶的作用,高压动叶外伸波的影响范围和强度呈现周期性的变化。     

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。     

攻角对端壁缝隙泄漏流气膜冷却的影响

本文中的实验在高压涡轮进口导叶平面叶栅中完成,叶栅端壁前缘开有模拟燃烧室涡轮连接处的缝隙。实验中采用GE-E~3高压涡轮进口导叶作为研究对象,缝隙与端壁表面夹角为30°。进口雷诺数(基于叶片轴向弦长和进口气流速度)为3.5×10~5,进口马赫数为0.1,泄漏流流量比为0.5%和2.0%。气膜有效度通过压力敏感漆(Pressure Sensitive Paint,PSP)进行测量。实验结果表明随泄漏流流量比的增加,端壁表面的平均气膜有效度有所增加;当来流攻角从i=+10°变化至i=-10°时,叶片前缘吸力面附近的端壁气膜有效度降低,但在整个端壁表面气膜有效度对攻角变化并不敏感。     

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。     

低速轴流涡轮内部流动的大涡模拟

在低进口雷诺数下,低速轴流涡轮内部可能存在复杂的边界层转捩和分离流动。准确模拟边界层转捩和流动分离对低速轴流涡轮的气动设计具有重要意义。本文以某单级低速轴流涡轮为研究对象,采用大涡模拟方法对其在进口雷诺数为20000情况下的内部流动进行了数值模拟研究,并与前期采用全层流模型、S-A模型、Abu-GhannamShaw(AGS)转捩模型的模拟结果进行了对比,对比分析发现,大涡模拟结果与实验结果吻合更好,可以准确模拟该涡轮叶片吸力面的流动分离和叶片通道内的二次流动。由大涡模拟结果可以得出,静叶尾迹和分离使尾迹区的流体流动速度降低,但尾迹对流动角的影响较小。动叶入口低速微团在做周向运动的同时沿径向运动;高速微团主要沿周向运动。静叶叶片表面的分离流存在较大的由叶顶向叶根的径向的运动;动叶吸力面叶顶处也存在较大的分离流动.     

存在热斑及总压梯度时静叶正弯对透平级气热特性的影响

通过三维非定常数值计算,研究了透平进口存在热斑及总压梯度时静叶正弯引起的高压燃气透平气热性能变化,分析了静叶正弯对动叶壁面、叶顶和端壁热负荷的影响。结果表明:静叶正弯改变了静叶吸力面静压及载荷分布,削弱了端壁二次流,使透平效率略有增加;同时静叶正弯增强了静叶吸力面侧流体从端壁向叶片中部的迁移,削弱了热斑的径向耗散。总压梯度的存在使静叶正弯不会引起动叶壁面二次流结构的显著变化,但热斑耗散程度的减弱会影响动叶热负荷分布。静叶正弯使动叶压力面高热负荷区传热恶化,但可以显著削弱动叶叶顶、下端壁及机匣的高温区域。     

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。     

动叶具有缩放型流道的涡轮级效率特性分析

针对一动叶采用缩放式叶型设计、以无导叶对转涡轮为应用背景的涡轮级,通过数值模拟进行研究发现,在设计换算转速下,该涡轮级效率特性呈现"双峰僧'的特点。随着落压比增大,首先动叶进气攻角由负变为零,效率升高并达到极大值;其后,动叶流道内形成正激波,其自身产生波阻并在吸力面引起边界层分离,效率下降;随后,该激波向下游移至叶片尾缘,尾迹损失明显增加,加上波阻、边界层分离的综合作用,效率达到极小值;然后,该激波演变为尾缘斜激波,自身波阻减小,而且它在吸力面引起的边界层分离消失,流道内总体损失下降,效率又会上升并在设计点附近达到极大值;其后,该激波波前马赫数不断增大,波阻损失随之增加,同时尾迹损失也持续增加,效率又会下降。结果显示,高负荷跨音工况下激波与边界层干扰引起的边界层分离损失以及动叶高出口马赫数时尾缘区域的损失(包括波阻损失和尾迹损失)占总体损失的至少1/2以上,在设计优化过程中应重点关注与之相关的动叶吸力面扩张段和叶片尾缘区域。     

湍流度对全气膜覆盖冷却叶片的影响

研究了具有尾缘槽缝和多排复杂冷气喷射进口弯掠导叶的气膜冷却特性,所研究的叶片具体有2个冷却腔,尾缘劈缝与副冷却腔相连,表面总共布置有11排冷气喷射孔,给出了多孔气膜冷却叶片几何构造和网格生成的过程.给出了不同湍流度下叶片中部区域叶片型线上的压力系数和速度比分布情况,并讨论了各个位置上的分布特点.探讨了在内表面换热和外表面气膜覆盖条件下,压力面和吸力面上展向的平均实际气膜冷却效率沿流向的分布特点,并且对各自冷却特点进行了分析.     

非定常尾迹对气膜冷却影响的数值研究

利用数值计算的方法研究了非定常尾迹对动叶气膜冷却效率的影响。在动叶叶片上开有5个气膜孔,重点研究了非定常尾迹对压力面第二个、吸力面第一个气膜孔周围的流场和温度场的影响。发现尾迹会使冷却气流的流向发生很大的改变,甚至发生"分流"、"逆流"的现象,这一点既和尾迹形成的低速区有关,也和气膜孔的位置有关。     

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。     

进口热斑径向作用位置对无导叶对转涡轮低压级温度场的影响

为了探究无导叶对转涡轮进口热斑径向作用位置的变化对其低压级温度场的影响,运用CFD方法对某无导叶对转涡轮模型级的流场进行了三维非定常多叶片排的数值模拟.结果表明,进入低压动叶中的热斑流体的迁移特性主要由通道二次流控制;进口热斑径向作用位置的变化将直接影响到低压动叶中的通道二次流结构,转子通道中的二次流与涡轮进口热斑直接相关;进口热斑径向作用位置的变化将对低压动叶吸力面上的附加高温区的强度产生显著影响.     

端壁叶间装配缝尾段泄漏流气膜冷却特性

为了揭示端壁装配缝几何参数对叶片尾缘下游部分的气膜冷却特性影响机理,本文对GE-E~3直列叶栅中的装配缝气膜冷却特性进行了数值模拟研究。研究发现槽缝几何参数对叶片尾缘的冷却特性具有较大影响。装配缝两侧端壁中,靠近吸力面端壁低于另一侧端壁对提高端壁气膜有效度具有有利作用。双侧切角结构虽然提高了靠近装配缝区域的气膜有效度,但增大了冷却盲区。装配缝结构应以靠近吸力侧偏低的几何关系和提高冷却出流速度为目标进行设计和优化。     

出流角对旋转涡轮叶片前缘气膜冷却影响

基于频闪拍照和稳态液晶测温技术,实验研究了不同气膜孔出流角对旋转态整级涡轮叶片前缘外壁面的气膜冷却特性的影响。实验中,叶片前缘处的主流雷诺数为6.3378×104。实验转速为574 r/min,对应的旋转数为0.0018。平均吹风比从0.5变化到1.25。射流采用N2,其对应的密度比为1.04。结果表明:展向平均气膜冷效是随吹风比的增加而单调增加的,其中最佳吹风比为M=1.25。对于所有吹风比,在-4.3相似文献