涡轮动叶冷却结构设计方法I:参数化设计

基于冷却结构参数化设计、传统的管网计算方法与新兴的气热耦合数值模拟技术,提出了一套涡轮冷却结构设计方法,并编写了相关的设计程序与计算程序.利用参数化设计方法可以快速而精确地设计冷却结构,管网计算用于指导方案设计,气热耦合数值模拟用于指导详细设计.参数化设计中利用"单元设计法"程序实现动叶冷却通道快速设计;借助管网计算模...     

涡轮动叶冷却结构设计方法Ⅲ:气热耦合计算

三维气热耦合数值模拟是涡轮叶片冷却结构详细设计中应用的热分析方法。三维气热耦合数值模拟的计算域实体模型建立借助于参数化方法,模型包括冷却结构尽可能多的细节、并保证足够高的模型精度。网格生成时,流体域采用结构化网格,并且需要在换热壁面上根据湍流模型的要求进行加密。将管网计算结果与三维数值模拟结果进行对比,发现管网计算的精度有限,而气热耦合计算方法能够捕捉更多流动换热现象,计算结果相对可信。对单个冷却结构方案进行三维数值计算的周期为5～15天,基本满足工程设计要求。     

涡轮动叶冷却结构设计方法Ⅱ:管网计算

涡轮叶片冷却结构设计的方案设计以管网计算为基础.本文简要介绍了管网模型的建立方法、近似和假设、边界条件的给定方式和控制方程的建立.说明了管网求解程序的思路与数值方法,介绍了管网压力平衡计算中对动量方程的线性化处理方法、气膜修正计算方法.以某型燃气涡轮第一级动叶的冷却结构设计为例,介绍了基于管网计算的冷却结构方案设计流程...     

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...     

涡轮叶栅气热耦合数值方法与验证

应用三阶精度TVD格式和自由型曲面阿格技术,对涡轮内冷叶片进行气热耦合数值模拟.结合商用软件采用多种湍流模型计算方法的结果进行实验验证和对比分析,结果表明,商用软件采用传统湍流模型对温度边界层的模拟是不合理的,采用考虑转捩的湍流模型,调整转捩起始雷诺数,可以较好地模拟温度边界层的热传导.本文对非转捩区边界层温度的计算结果与实验结果吻合较好.     

涡轮静叶尾缘开槽冷却特性的数值研究

本文用三维数值模拟的方法,对某具有尾缘开槽冷却的涡轮静叶栅进行了详细的气热耦合计算与分析,研究了具有尾缘开槽冷却形式的涡轮静叶片的冷却特性,并结合叶片表面温度分布和静压分布对比分析了叶片在不同吹风比下该冷却方式对流场气动性能的影响。气热耦合计算结果表明:此种尾缘开槽的冷却形式可以对叶片尾缘高温区起到有效的冷却效果,同时使主流通道的气动喉口向上游迁移,在冷却槽口区域引起主流的压力波动。     

燃气涡轮静叶考虑叶型及冷却结构的气热耦合优化

为通过气热耦合优化计算改善叶片表面温度场,提高叶片气动效率,编制了气热耦合气动和冷却结构参数化方法程序及网格自动生成程序,采用该程序对燃气涡轮静叶进行了考虑叶型及冷却结构的气热耦合优化。优化结果表明:对叶型及冷却结构优化后,形成解集中气动效率分别提升0.3%和0.17%,主流流量仅变化0.116%和0.058%,高温函数降低38.55%、51.6%,叶片表面最大温度降低5.6 K、6.9 K,平均温度降低5 K、7 K。通过分析,前缘第一腔高温区雷诺数的增大以及第三腔低速回流区的减小是改善叶片温度场的主要因素;根中截面的型面压差的减小导致横向二次流损失的降低是减小气动损失的主要原因。     

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.     

气热耦合多孔气膜冷却流动的数值研究

对具有气膜冷却的某涡轮叶栅,提取中部截面型线进行了平面叶栅的气热耦合数值模拟,研究了多孔射流气膜冷却流动的特点.主流与固壁气流耦合计算表明,冷却气流在冷却腔内的流动过程中,被固体壁面加热,在喷射入主流场之前温度升高幅度较大,使得沿程后部的冷却效果减弱,同时研究了多射流孔附近区域三维定常流动的流场.     

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。     

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。     

内部冲击构型对气冷涡轮气热耦合计算影响的对比研究

为了评估复杂冷却涡轮内部冷却结构变化对涡轮气动及传热性能的影响，本文采用气热耦合计算方法对三种具有不同内部冲击结构的高压导叶进行了研究。分析了无冲击冷却结构、冲击挡板结构以及冲击套筒结构对涡轮气动及传热性能的影响规律。结果表明：在气动性能方面，无冲击冷却结构方案总流量最大，带有冲击套筒结构方案最小，同时涡轮气动效率也会随着内部结构的变化而变化；在传热方面，通过对比可以发现两种冲击方案都会对叶片表面最大温度进行降低，但冲击套筒结构方案同时还能够降低叶片表面平均温度。     

涡轮叶栅前缘槽缝气膜冷却的数值模拟

应用FINE/TURBO软件包,求解三维雷诺平均N-S方程,对叶片前缘有两列冷却槽缝的气膜冷却流场进行了数值模拟,获得了不同吹风比下叶片表面静压分布与极限流线.在计算结果与实验数据良好符合的基础上,详细分析了槽缝冷却三维定常流场结构与槽缝附近的流动细节.研究结果表明,槽缝冷却对前缘压力分布影响较大,且在压力面引起较大的分离流动,不利于冷却.     

热传导对微型涡轮动叶性能影响的数值模拟

为了探求热传导对微型燃气轮机性能的影响,使用CFX对某微型燃气轮机涡轮动叶的流动特性和换热性能进行了数值模拟并提出了考虑热传导损失的轮周效率的计算方法.通过计算发现热传导对流动和涡轮动叶的性能的影响不可忽略,热传导使动叶输出功和效率明显降低.考虑顶部间隙后,热传导的影响更加显著.     

涡轮动叶采用弯叶片的数值模拟及流场结构分析

本文采用数值模拟的方法,对某型涡轮动叶,计算了±１０°、±５°、０°、１５°、２０°七种倾角下的动叶流场,流场模拟的结果表明,采用正弯叶栅能够减少二次流损失,使总损失与常规动叶相比下降了约１０％,并加强了下通道涡,上通道涡喊弱。     

涡轮叶栅双排孔气膜冷却数值模拟

采用具有三阶精度TVD性质的有限差分格式、自由型曲面技术以及分区网格算法,对某型具有冷气孔形状的涡轮叶栅进行了全三维N-S方程数值求解,描述了相邻两排冷气射流在叶栅吸力面形成的冷却气膜以及壁面附近冷却射流运动的特点,分析了不同吹风比和喷射角度情况下冷却绝热效率的分布规律。结果表明,在较大的吹风比和喷射角下,交错排列的两排冷却射流运动规律非常复杂,在两排孔之间的区域与冷气孔下游区域冷却气膜的形成规律具有明显的区别。     

深度学习方法在涡轮冷却中的应用综述

涡轮冷却技术是涡轮设计的关键技术之一.涡轮冷却结构的表面温度和压力均为复杂的三维分布,但目前的设计体系仍基于低保真度的一维管网,深度学习可能是提升涡轮冷却设计保真度的一种有效手段.本文总结了几种纯数据的神经网络模型和几种与物理规律结合的神经网络模型在涡轮冷却问题中的应用.通过巧妙地将涡轮冷却问题看待为图像、序列和参数的...     

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．     

1＋1/2对转涡轮高压动叶顶部间隙流场数值研究

本文对1 1/2对转涡轮中高压动叶顶部间隙中的流动进行了详细的数值研究.通过分析沿弦向不同位置截面上的相对马赫数、速度矢量及静压等的分布,研究了高压动叶间隙及附近的波系及涡系分布.由于1 1/2对转涡轮高压动叶为缩放型流道,其间隙中出现了明显的超音流动,这与普通涡轮间隙中的流动存在明显不同.