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.     

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...     

涡轮叶片端壁槽缝气与离散气膜孔冷却特性实验研究

真实发动机涡轮叶片端壁为曲面造型,并且其冷却受槽缝气、泄漏流和离散气膜冷却多种冷却气叠加影响,同时又受到主流二次流影响,因此呈现复杂冷却特性。为研究接近真实发动机涡轮叶片端壁构型和工况下的气膜冷却特性,本文采用高速风洞(主流雷诺数为37万)及压敏漆(PSP)技术,研究了槽缝气、泄漏流以及离散气膜对曲面端壁的气膜冷却效率的影响,并针对不同冷气流量比对端壁气膜冷效的影响规律进行了对比分析。结果表明:端壁表面气膜冷效随着槽缝气流量比增大而增大,当流量比增大到1.71%时,槽缝气膜几乎可以覆盖整个端壁表面;与槽缝气相比,端壁表面的离散气膜冷气覆盖范围较为有限,端壁压力面侧下游区域气膜覆盖较差;在喉部之前,随着流量比增大,离散气膜冷效呈现下降趋势;在喉部之后,随着流量比从1.3%增大到1.9%,离散气膜冷效呈现上升趋势;与仅有离散气膜相比,包含槽缝气、泄漏流、离散气膜的全气膜覆盖更为均匀,全气膜冷效的叠加使得端壁冷效相比仅有离散气膜时整体提高了93.4%。     

端壁通道间隙对端壁泄漏流冷却的影响

本文针对叶栅通道中端壁间隙的影响进行数值研究,详细分析了有无端壁间隙、不同间隙泄漏流流量和不同间隙射流角情况下端壁表面泄漏流气膜冷却有效度的分布特性。结果表明:端壁间隙会在一定程度上限制端壁表面冷却气膜的扩散分布,主要影响区域为端壁吸力面侧及喉部下游;不恰当的端壁间隙泄漏流会削弱端壁某些局部区域的泄漏流冷却效果;端壁间隙射流角对端壁表面泄漏流冷却效果的作用总体上非常有限,其主要改变某些局部区域的气膜冷却分布。     

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。     

涡轮流场影响端壁气膜冷却的实验研究

采用压力敏感漆技术对高压涡轮动叶平面叶栅端壁气膜冷却特性进行了实验研究,对比分析了气膜冷却射流吹风比和叶栅进口主流雷诺数对端壁气膜有效度分布的影响.实验中主流雷诺数分别为164476、226154、308392和359790,各主流雷诺数下气膜射流吹风比变化范围从0.4到1.4.端壁前缘气膜孔吹气角为45°,其余端壁气...     

涡轮端区离散台阶缝气膜冷却特性研究

受端区二次流的影响,叶片前缘和压力面根部角区端壁难以实现有效冷却。为了实现该区域的冷气覆盖,本文研究了新型冷却结构离散台阶缝的端区气膜冷却特性。离散台阶缝在叶片周向主要覆盖叶片前缘区域,能够集中冷气冷却换热恶劣的区域。本文研究了两种不同离散台阶缝轴向位置(AP1,AP2)和三种不同冷气量(MFR=0.43%,0.88%,1.33%),通过红外热像仪测量端区气膜冷却效率分布。结果表明,增加离散台阶缝与叶片的轴向距离,能够有效提高叶片上游区域的冷却效果,但在通道内部,结果相反。增加冷气量能够提高端壁的气膜冷却效果。此外,应用五孔探针测量叶栅通道喉部附近截面二次流流场特征,解释了通道冷却分布的机理。     

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.     

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。     

压力面气膜冷却射流端壁效应研究

本文将燃气轮机透平叶片压力面气膜冷却射流对端壁气膜冷却的影响作为研究对象,实验件表面绝热壁面气膜有效度通过压力敏感漆(Pressure Sensitive Paint)技术进行测量,在不同压力面和端壁气膜冷却吹风比条件下获得了端壁表面气膜有效度分布.实验结果表明压力面气膜冷却射流与端壁气膜冷却射流间存在相互干扰,端壁气膜射流在压力面气膜射流的影响下会出现明显偏移和再分布,尤其是端壁下游的气膜覆盖特性对压力面射流极为敏感.同时本文也定量分析了压力面射流的端壁效应,对当地气膜有效度分布进行了多个位置的对比和分析.     

改善局部难冷区域的一种导叶层板端壁

受二次流的影响,气膜冷却端壁表面存在大量难冷区域。紧凑型层板结构可以实现端壁的双侧冷却,从而缩小难冷面积。本文通过改变气膜孔布局,设计了一种可以有效改善局部难冷区域的层板冷却端壁。在主冷流温比1.5下,测量了端壁表面的温降特性和综合冷却效率分布,通过与均匀气膜布局的层板端壁相比较,发现:采用改进后的层板结构,可以显著降低端壁表面温度,缩小难冷区域面积,获得更均匀的冷却效果。且压力侧根部区域与吸力面前缘区域冷却效果增幅尤甚。另外,此层板的改进优势随着质量流量比的增加变得更明显。     

跨音速涡轮静叶上端壁结构对动叶顶部气动换热特性的影响

本文通过求解三维Reynolds-Averaged Navier-Stokes(RANS)和Spalart-Allmaras紊流模型数值研究了跨音速涡轮静叶上端壁结构对动叶顶部气动换热特性的影响。数值预测得到的动叶中径处压力分布与实验数据吻合良好,从而验证了该数值方法的可靠性。本文研究结果表明:静叶上端壁结构对动叶顶部前缘处的流动换热特性有显著影响,对靠近尾缘处的流动换热没有影响;静叶端壁为S型上端壁时叶顶平均换热流密度要低于采用常规端壁,且通流效率高于采用常规端壁;靠近尾缘区域的流动换热特性受间隙内斜激波的影响显著,由于斜激波和叶顶表面边界层的相互作用及斜激波在叶顶表面和端壁面之间的反射,导致靠近尾缘处的叶顶表面存在条状分布的高热流密度区域。     

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。     

扇形孔气膜冷却应用的综合特性

扇形孔气膜冷却是为避免圆孔气膜冷却吹离而产生的,然而这两种孔在实际叶栅运用中的特性往往受到叶栅流动以及各种参数的影响而显得极为复杂。本文首先探讨平板扇形孔在不同密度比、吹风比下的特性,得到扇形孔的流动和传热特性以及各参数对其的影响。然后结合扇形孔在叶栅上的应用,研究了压力面和吸力面不同的流动特性对于扇形孔应用的影响,以及在叶栅冷却中冷气参数对扇形孔的综合影响。     

涡轮叶片尾缘劈缝气膜冷却特性实验研究

本文将层板冷却应用于涡轮叶片尾缘冷却中。为了研究肋形状对其劈缝气膜冷却特性的影响,在四种吹风比下,实验测量了直肋和倒斜角肋两种肋结构下的气膜冷却效率和换热系数,结果发现:1)倒斜角肋结构在劈缝下游的气膜冷却效率分布比直肋更均匀,倒斜角肋结构的平均气膜冷效高于直肋结构;2)两种结构的换热系数在劈缝出口处受吹风比影响较大,相同吹风比下,倒斜角肋结构的换热系数略高于直肋结构。     

端壁错位对端壁泄漏流冷却的影响研究

本文采用数值方法针对燃气涡轮端壁因实际运行过程中部件热膨胀所造成的端壁错位进行了研究,详细分析了不同端壁错位形式下端壁上游槽缝泄漏流和槽缝/间隙泄漏流共同作用下的冷却分布规律。结果表明,端壁错位会改变端壁附近的流动结构,进而影响端壁表面泄漏流冷却的分布特性;在不同的端壁错位形式下,通道间隙泄漏流基本不会影响上游槽缝泄漏流的冷却分布;对上游槽缝泄漏流冷却有强化作用的端壁错位形式反而有可能会对端壁下游的间隙泄漏流冷却带来不利影响。     

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。     

变工况下缩放型流道涡轮动叶中激波对吸力面气膜冷却的影响

为了研究涡轮缩放型流道动叶中尾缘燕尾型激波与叶片吸力面相互作用对气膜冷却的影响,本文对不同转速和不同吹风比下无导叶对转涡轮高压动叶吸力面上激波与二次流对冷却流动及壁面静温的影响进行了数值研究。冷却孔位于高压动叶吸力面约30%轴向弦长处,沿叶高均布。共模拟了三种转速(高压动叶),分别为5460r/min、6970r/min和7800r/min;在每个转速下分别模拟了两种不同冷却气流进口速度,分别为10m/s和20m/s。从模拟结果可见,高压动叶吸力面上静温过激波作用位置后会有明显的上升,且在不同工况和不同冷却条件下静温升的大小存在差异。在高压动叶吸力面两端,冷却效果下降明显,二次流成为影响气膜冷却的主导因素,尤其是在叶片顶部。     

进口旋流对透平双通道叶栅端壁气膜冷却的影响

实验叶栅采用GE-E~3进口导叶叶型,进口马赫数为0.1,进口雷诺数为1.48×10~5。实验中的叶片放大比例为1.95,气膜有效度采用压力敏感漆测量。气膜冷却工质采用氮气,密度比接近1.0。实验中两个相邻叶栅通道的端壁气膜有效度分布同时进行测量,在端壁上游和下游分别取相同位置进行气膜有效度对比。进口旋流采用旋流器进行模拟,旋流器与两个叶栅通道间的相对位置沿周向移动,分别模拟正对叶片A、正对叶栅通道1,正对叶片B,正对叶栅通道2以及正对叶片C五个状态。通过实验可以发现,进口旋流可以主导端壁上游的气膜冷却有效度分布,气膜附面特性并且随旋流核心位置变化明显。在端壁下游区域旋流的影响主要表现为与主流横向流动的合成作用,气膜冷却变化对旋流核心位置移动相对上游不敏感。     

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。