燃气透平叶片表面颗粒沉积特性数值研究进展

污染物颗粒在燃气透平叶片表面及冷却通道内的沉积将影响透平叶片的冷却特性和安全服役寿命。国外许多研究机构对燃气透平叶片表面污染物颗粒沉积特性及其与叶片气膜冷却的相互作用机制进行了持续研究。本文首次系统总结了近年来燃气透平叶片表面污染物颗粒沉积特性数值研究进展,重点介绍了燃气透平叶栅流道内污染物颗粒的沉积机制、颗粒沉积和脱离物理模型以及颗粒沉积与透平叶片冷却特性相互作用的数值模拟方法和研究成果。基于当前研究热点和发展趋势,结合作者的研究经历,指出了国内在研发先进燃气轮机透平冷却结构时应注意的问题和方向,为高效、燃料适应性更广的燃气轮机技术自主开发奠定基础。     

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。     

透平叶栅气膜冷却效果的数值研究

本文基于二维粘性数值模拟分析了某透平叶片气膜冷却的效果。在系统分析了冷却气流的喷射速度、喷射角度和温度的影响之后，得到了一些对叶片设计非常有用的结果和结论，同时探讨了本研究发展的数值方法和程序用于工程设计的可能性。     

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。     

燃气透平叶栅端壁传热特性的数值研究

采用三维数值求解方法,对透平叶栅端壁区域的流动和传热特性进行了研究.利用试验数据考核了相应的数值方法,分析了网格数目和湍流模型对叶栅端壁附近流动传热特性计算的影响,比较了不同进口雷诺数和湍流度条件下端壁传热特性的变化。结果表明;马蹄涡和通道涡等二次流动直接影响端壁区传热,传热强度分布规律基本与当地流动的湍动能保持一致。湍流模型对端壁压力场的计算影响较小,但对端壁传热特性的求解的精度影响较大。采用v~3—f湍流模型能较好地预测端壁传热分布。来流雷诺数和湍流度的变化改变了端壁边界层厚度和涡系结构,使得端壁传热强度和梯度分布发生变化。     

平面叶栅气膜冷却流动的数值模拟

为了能够准确地对透平叶栅气膜冷却效率进行数值预测,本文采用了FNM形式的结构化网格,对一个平面叶栅中的气膜冷却流场进行了数值模拟。计算中采用了包括LU-SGS-GE隐式格式和改良型高精度、高分辨率的MUSCL TVD格式的时间推进算法求解三维RANS方程以及低Reynolds数q-ω双方程湍流模型。计算结果表明本文采用的模型及方法在低吹风比的条件下可以较准确地对气膜冷却效率进行数值预测。     

多场耦合下透平冷却高温影响特性

透平进口温度持续提高,使得实验测试条件难以实现全温全压的测量,往往采用降温降压工况。本文采用耦合数值方法,分别针对耦合气膜冷却平板及耦合叶栅模型,分析多场耦合下的高-低温传热特征,探索透平冷却温度水平影响特性及机理。研究表明,综合冷却效率分布受金属、流体物性及内外部冷却多方面综合影响;比较无量纲参数相同的高-低温工况,高温使得有TBC涂层时综合冷效偏高,无TBC涂层时综合冷效偏低;无量纲参数相同的高-低温工况,在平板上综合冷却效率分布规律基本一致,在叶栅表面压力面和前缘较为一致,其余部分相差较多;在一定的温度差距内,高-低温工况结果仍可保持一定的一致性。     

旋流条件对燃气轮机叶片流动传热特性的影响

燃烧室出口旋流度对透平一级静叶的流动传热有影响。本文对RANS模型应用于旋流计算中的效果进行研究,并分析燃烧室出口旋流形式和强度。针对实心叶片以及全气膜冷却叶片进行分析,研究了不同强度旋流条件对于叶片和气膜冷却系统覆盖效果的影响。结果表明:燃烧室出口旋流形式分为"C"型和"O"型,强度范围0.～0.8。旋流使叶片表面传热局部有增加,流动损失增加。旋流强度对气膜冷却系统有一定影响,前缘的冷却受影响较为显著。     

燃气透平稳态全工况特性通用模型

燃气透平稳态全工况特性通用模型卢韶光，林汝谋（中国科学院工程热物理研究所北京１０００８０）关键词燃气透平，全工况特性，通用模型主要符号表Ｃｄ假想速度０透平设计点参数、Ｆ喷管截面积喷管入口参数ｈＴＳ透平等嫡焓降１喷管出口参数ｕ级圆周速度３透平人口参数下...     

汽封泄漏流动对透平叶片级通道

本文采用作者发展的叶轮机械通用计算程序GAP10程序对带汽封结构反动式透平叶片级流场进行三维数值模拟,分析了汽封泄漏流动进入叶栅通道后动叶片通道的流场结构,并讨论了泄漏流动对通道二次流动发展方式的影响.     

有扰流柱的复合倾斜式气膜冷却导向叶片换热特性的研究

本文采用试验方法研究复合倾斜式涡轮导向叶片的内换热特性。针对有无扰流柱、有无气膜孔以及三种不同直径的节流孔的模型进行了试验研究，获得了扰流柱、气膜孔以及１８０°弯的节流板孔径的变化对其内换热特性的影响，并得到了一些换热准则方程，从而获得了加强叶片内部换热的方法。     

微细颗粒壁面沉积的数值研究

针对微细颗粒在壁面上的沉积特性,采用湍流雷诺应力模型结合颗粒拉格朗日轨道模型对无量纲弛豫时间τ~+为0.1～100量级的微细颗粒在壁面的沉积特性进行了研究,考查了流动方式和流速对颗粒沉积速率的影响。研究表明:在垂直向下流动和水平流动情况下,颗粒的沉积速率随着颗粒无量纲弛豫时间τ~+增加而增加,但是垂直向下流动中,当颗粒无量纲弛豫时间τ~+增大到一定值,颗粒的沉积速率基本保持定值。对于相同无量纲弛豫时间τ~+的颗粒,颗粒在壁面上的沉积速率随着摩擦速度u~*的增加而减少。     

真空沉积法制备InSb纳米颗粒

采用真空沉积的方法在SiO₂基片上制备出了纳米InSb颗粒薄膜.利用原子力显微镜对4片样品表面进行分析,从其表面形貌图和三维图中可以观察到有粒径均匀的纳米InSb颗粒形成并且均匀地分布在SiO₂基片表面.实验表明,通过改变镀膜时间可以得到具有不同颗粒尺寸的InSb纳米颗粒,并且颗粒直径与沉积时间和厚度成正比.     

颗粒趋壁沉积的直接数值模拟

气相采用直接数值模拟方法、颗粒相采用拉格朗日轨道模型方法对摩擦雷诺数为180的充分发展槽道内Stokes数为1～104的颗粒趋壁沉积现象进行了研究.研究表明,惯性颗粒在湍流涡的作用下趋向壁面运动,并以一定速率沉积.在"吸收壁面"条件下沉积速率首先随着颗粒弛豫时间增大而增大,在弛豫时间大于100时,沉积速率保持不变.     

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%。     

原表面回热器换热阻力特性试验研究

本文对研制加工的适用于 100 kW 微型燃气轮机的 CW(Cross Wavy) 原表面回热器进行了试验研究,通过对两侧流体进、出口温度、压力等的测量,重点分析了燃气流量、入口温度及空气进口压力变化对换热阻力的影响,得出了在变工况下回热器的流动与换热性能规律,结果表明:所研制的 CW 原表面回热器空、燃气两侧换热均匀,提高了换热效率,两侧压降都有不同程度降低,并得出了有工程应用价值的 Nu-Re 及 f-RE 准则关系式,可为原表面回热器的设计制造提供参考.     

叶片端部孔隙结构对透平叶栅气动性能影响的试验研究

减小叶片端部的二次流动能够显著减小叶栅的流动损失.本文通过分析叶栅二次流动的机理,提出了一种减小二次流损失的结构─叶片端部的孔隙结构.并通过试验验证了合理的孔隙结构能达到减小二次流损失的目的.本文分别研究了在透平叶片端部不同位置的孔隙结构对透平叶栅气动性能的影响.发现对于小尺寸的孔隙结构,其对流动控制的能力有限,尽管如此,其还是能够达到减小损失的目的.本文进行了五个攻角下的孔隙结构实验,结果表明:端部前缘孔隙结构与原始叶栅相比,不同攻角下的总压损失分别减小了2.4%、6.8%、6.8%、3.6%、2.7%.本文工作为提高透平叶栅气动性能提供了一种新思路.     

应用格子Boltzmann方法研究颗粒横掠管束的沉积过程

烟气中灰尘颗粒在换热器管束表面的沉积对换热器性能有较大影响,研究颗粒在管束上的沉积规律有较大的应用价值。本文应用格子Boltzmann与格子气自动机的耦合模型模拟了颗粒随流场的运动,并采用该模型模拟了颗粒在单排管束表面的沉积现象,得到了直径为5μm和10μm的颗粒在管子上的沉积形貌。接着模拟了直径为10μm的颗粒在顺排和叉排管束表面的沉积形貌,结果显示前排管束只在背风面发生沉积,而后排管束在迎风面和背风面同时发生沉积,且顺排管束上的颗粒沉积较多。因此,叉排布置有利于减小积灰。本文的研究可以展示颗粒沉积的规律,并为含尘烟气换热器的设计提供指导。