气冷涡轮前缘冷气射流角度优化研究

为了研究复合角度的圆形气膜孔对涡轮叶片冷却效果和气动性能的影响,利用SST的k-ω模型对涡轮叶栅进行数值模拟,对前缘区域冷却孔进行复合角度优化设计,给出前缘滞止线附近和吸力面改型前后的冷却特性分析。结果表明圆形气膜孔的复合角度对冷却和气动的影响明显,在前缘压力面,侧向角分别为85°,60°和45°,冷气在前缘处改变滞止点的位置,切向速度增大,冷却效果显著增强。在前缘吸力面上,冷却孔的入射角从45°变为30°,侧向角由-15°改为0°和30°,冷气与主流掺混减弱,壁面冷却效率增大,同时影响近壁面的主流从而改变流场结构。     

导叶冷却对涡轮级性能影响的数值研究

针对某高压燃气三维扭转涡轮导叶全叶身冷气射流进行了数值模拟,详细分析了在设计转速下改变冷气流量对叶片气动性能、冷却效率和叶栅通道损失的影响;对比分析了在冷气流量相同的条件下,改变转速对涡轮级性能影响.结果表明:不同冷气流量对导叶冷却孔附近区域的静压影响较为明显,而对下游转子的型面静压影响不大;导叶冷气射流对叶栅通道内主流气流角影响较小;冷气流量占主流流量由2.50%增加至6.25%,叶片绝热壁温降幅达11.19%,导叶叶栅通道总压损失和能量损失分别增加了12.95%和12.01%,而涡轮级功率和级效率分别降低了2.39%和1.51%.      

前缘喷淋射流对导叶压力面冷却特性的影响

为了评估涡轮导叶的前缘喷淋射流对压力面多排气膜孔冷却特性的影响,在高亚声速风洞中进行了实验,获得了有无前缘喷淋射流时叶片表面的气膜冷却效率和传热系数。叶栅进口雷诺数(基于叶片弦长)范围为2.0×105~4.0×105,出口等熵马赫数为0.95,叶片前缘和压力面分别都包含6排圆形孔,质量流量比的范围分别为2.46%~4.57%和2.00%~3.71%。实验结果表明:在没有前缘喷淋射流时,压力面前半段的气膜冷却效率受质量流量比的影响较小,而后半段的气膜冷却效率随着质量流量比升高而增大。前缘喷淋射流使压力面多排气膜孔的冷却效率提高了20%~70%,并且使气膜冷却效率沿流向分布更均匀。不论是否有前缘喷淋射流,压力面的传热系数比都随质量流量比升高而增大,沿流向看,前缘喷淋射流提高了压力面前缘和尾缘区域的传热系数比而对压力面中间区域影响较小。     

跨声速涡轮静叶尾缘激波对动叶前缘气膜冷却效果影响的研究

为进一步探究跨声速涡轮中非定常激波对气膜冷却效果的影响,以跨声速涡轮级叶型作为研究对象,采用非定常数值模拟方法,通过在动叶前缘不同弦向位置进行冷气喷射,探讨了静叶尾缘外伸激波的扫掠对动叶前缘气膜冷却效率的影响。研究结果表明,静叶尾缘外伸波接触到动叶前缘时会导致接触点下游气膜冷却效率降低;冷气喷射孔距离前缘越近,每周期内受上游静叶尾缘外伸波影响时间越长,受影响时长在10%~20%周期之间;不同方案中气膜孔下游相同距离位置上,时均冷却效率相差最大可达89.5%。     

冷气掺混对高压涡轮气动性能影响的数值研究

采用数值方法研究了冷气掺混对高压涡轮气动性能和叶栅通道内部二次流动结构的影响，计算结果表明:冷气流量增加，冷却高压涡轮导叶和转子型面总载荷降低，导叶进、出口马赫数均减小，转子出口相对马赫数在径向0~0.55区域增大而在径向0.55~1.0区域减小.导叶进、出口气流角受冷气流量的变化影响较小.冷气流量由压气机进口流量的4.83%增加至14.49%，转子进口相对气流角在径向0.05~0.95区域增大而出口相对气流角在径向0.6~1.0区域减小，导叶绝热壁面冷却效率先升高后降低而转子绝热壁面冷却效率提高了19.33%.轮毂和机匣封严气呈束状进入转子叶栅通道且腔内封严气流动受旋转轮盘抽吸效应影响较大.      

出流结构对涡轮叶栅端壁气膜冷却效率数值研究

通过对涡轮叶栅端壁上游不同气膜冷却结构模型进行数值模拟,得到了不同吹风比情况下,涡轮叶栅端壁的流动与换热特性.结果表明:圆柱形孔冷气射流在孔下游与主流相互作用形成一对转动方向相反的耦合涡,对涡轮叶栅端壁的气膜冷却效果不利.前向扩张孔降低了孔下游耦合涡的强度,对涡轮叶栅端壁总体气膜冷却效率要优于圆柱形孔.前向扩张缝结构增大了射流宽度,冷却了孔间端壁,对涡轮叶栅端壁总体气膜冷却效率要优于圆柱形孔和前向扩张孔.      

涡轮叶栅前缘气膜冷却数值模拟

采用具有三阶精度TVD性质的有限差分格式及多区网格技术,对某型前缘带有两排冷气孔的涡轮叶栅的气膜冷却流场进行了全三维N-S方程数值求解,分析了在前缘滞止区域附近两排孔的冷气射流各自的运动规律、温度分布以及不同吹风比情况下前缘区域气膜冷却绝热效率的分布特点。结果表明,冷气孔的位置、排列方式以及冷气喷射率的变化对叶片前缘区域的绝热效率分布的影响是非常明显的。      

涡轮叶栅前缘气膜冷却对气动参数影响的数值研究

采用具有TVD性质的三阶精度有限差分格式、自由型曲面技术以及多区域网格算法,对前缘带有三排冷气孔的涡轮导叶进行了气膜冷却数值计算,分析了前缘冷气喷射对涡轮气动参数的影响,描述了叶型表面冷气射流的运动规律。结果表明,冷气喷射导致了流量、马赫数和温度较为明显的变化,前缘和吸力面获得的绝热效率高于压力面,压力面冷气射流的运动规律比较复杂。型面压力只在冷气孔区域有明显的波动。     

喷射角对涡轮叶栅端壁气膜冷却的气动影响

在大尺寸低速平面叶栅风洞中,对前缘上游有单排气膜孔的涡轮导向叶栅端壁气膜冷却进行了气动实验。在喷射角25°,35°和45°以及吹风比1,2,3下详细测量了叶栅通道中的三维流场,得到了全速度和二次流速度分布,并由此计算了二次流动能的大小。着重研究了喷射角对端壁气膜冷却的气动特性和对叶栅通道中特别是端壁附近的流场结构的影响。数据表明减小喷射角度可以减小通道涡的强度和尺寸,使冷气射流核心更贴近壁面,但同时也明显地增大了壁面附近的气流速度。在高吹风比下,35°喷射时射流将冷气输运到压力边的能力比25°喷射和45°喷射都要强。     

涡轮静叶叶型与气膜孔优化对气动与冷却性能影响

为研究气膜冷却涡轮叶片中叶型与气膜孔参数变化对涡轮静叶性能的影响,利用气膜冷却涡轮多目标优化平台对存在多列气膜孔的静叶进行多目标优化.获得在优化变量允许范围内针对气动效率与传热效果以及高温目标函数的Pareto前沿解集,整体性能得到了提高,不同方案中气动效率最高提升0.35%,叶片表面温度最大下降0.74%,高温函数降低的最大幅值为45.71%.结果表明:气动效率提升的主要原因是后弯角的提升使得叶型和二次流损失下降;接近驻点处前缘气膜孔方向的改变导致的冷气分流是叶片根部和前缘附近压力侧的冷却情况得到改善的主要原因.     

考虑冷气掺混的涡轮气动性能数值研究

采用数值求解雷诺平均N-S方程的方法,数值模拟了带冷气掺混的涡轮内部全三维黏性流场,研究了冷气掺混对涡轮流动损失和气动性能的影响。数值计算结果表明,对于具有单排孔冷气入射的气膜冷却情况,当入射角是30°时,随着冷气流量增加,流动损失减小;而对于多排气膜孔冷气入射,各排气膜孔冷气之间的干扰是引起流动损失的主要原因,对不同位置冷气流量的优化选择,可以明显减小前后排冷气的掺混损失。为了降低冷气掺混的流动损失,基于数值实验的结果,本文首次引入了叶片表面气膜孔沿径向交错排列结构。     

涡轮叶片前缘气膜冷却数值模拟

对具有双排气膜孔的涡轮叶片前缘进行了气膜冷却数值模拟,在吹风比M为0.5,1.0的情况下得到了相邻两排孔的流场和气膜冷却效率的分布规律,并将计算结果与实验进行了对比分析.结果表明:①在不同的吹风比下,两排孔的冷气射流运动非常复杂,冷却效率沿流向的分布都是非线性的;在M为1.0时,25°的小角度喷射气膜冷却效果较好.②利用两层k-ε湍流模型比传统的k-ε湍流模型数值预测的精确度高,可较好地模拟叶片前缘的气膜冷却特性.      

发散冷却与槽缝射流对涡轮静叶端壁气热性能影响的研究

燃烧室壁面发散冷却气流影响下游涡轮静叶端壁的气热性能,论文采用数值求解三维Reynolds-Averaged Navier-Stokes（RANS）方程和SST湍流模型的方法研究了燃烧室壁面发散冷却和前缘槽缝射流作用下的涡轮静叶端壁流动结构和传热冷却特性。分析了3种发散冷却流量质量比和3种前缘槽缝射流质量流量比下的涡轮静叶端壁绝热有效度、静叶叶片泛冷却特性和叶栅流动结构。研究表明：在3种发散冷却气质量比工况下,槽缝射流质量流量比由1.0%增加至1.5%时,整体绝热冷却有效度可至少提升60%,且叶片前缘与压力面角区也得到充分冷却;发散冷却质量流量比增加会改善叶栅出口下游部分端壁冷却效果。上游发散孔流量大于下游孔且槽缝吸力面侧局部质量流量比高于滞止点附近位置,发散冷却与槽缝射流流量增加能够减小冷却气流量局部差异。发散冷却与槽缝射流流量增加会削弱马蹄涡,增强空腔涡,并对二次涡产生影响,从而改变冷却气流覆盖特性。静叶端壁气热性能的研究需要考虑上游燃烧室壁面发散冷却的影响,论文的工作为涡轮静叶端壁冷却性能分析提供了参考。     

前缘射流对涡轮导叶吸力面多排气膜孔冷却特性的影响

为了研究前缘射流对吸力面多排气膜孔下游冷却特性的影响,在跨声速风洞中进行了实验并采用热电偶获得了气膜冷却效率和换热系数。叶栅进口雷诺数的范围为2.0×105 ~ 4.0×105,出口等熵马赫数为0.95,叶栅前的湍流度小于5%。前缘布置6排对冲圆柱孔,质量流量比的范围为2.00% ~ 3.71%,吸力面布置4排圆柱孔,质量流量比的范围为2.02% ~ 3.74%。实验结果表明：在没有前缘射流时,吸力面的气膜冷却效率随质量流量比增大先升高后下降,存在前缘射流时,质量流量比对气膜冷却效率的影响较小。对所有的工况而言,质量流量比增大都提高了吸力面的换热系数。相比于没有前缘射流的工况,前缘射流显著提高了吸力面孔排附近区域的气膜冷却效率并略微降低了换热系数;在吸力面后半段,前缘射流显著提高了换热系数而对气膜冷却效率影响较小。总的来说,前缘射流改善了吸力面孔排附近区域的冷却效果,但是恶化了吸力面后半段区域的冷却效果。     

平面叶栅中冷气射流三维分离的数值模拟

为了研究冷气射流对平面叶栅气动特性的影响 ,采用三阶精度Godunov格式和B L湍流模型求解三维N S方程 ,对冷气孔处于气冷涡轮叶栅的轴向位置为 5mm ,10mm ,4 3mm和 5 0mm ,喷射角度分别为 3 0°,60°,90° ,12 0°条件下进行了 16组方案计算。结果表明 ,叶片前缘冷气孔角度对流场底影响较小。越接近叶片尾缘 ,冷气孔角度对流场的影响越明显     

孔排布局对叶片前缘气膜冷却的影响

采用放大的半圆柱状表面模拟涡轮叶片前缘的形状,对叶片前缘单排及两排圆柱形孔的气膜冷却效率进行了测量。试件表面交错地开有 6排孔,以驻点为起点,位置分别在± 1 5°,± 4 0°及± 60°处,各排孔的孔间距均为 3个孔径,孔轴线与表面在展向及流向的夹角分别为 30°及 90°,孔长与孔径比为 4。主要对比研究了 3种单排气膜孔不同孔排位、3种两排气膜孔不同孔排位及 1种三排气膜孔的布局对孔排下游冷却效率的影响。结果表明 :在同样二次流流量条件下,冷却效果好的单排孔位置依次为 60°,4 0°,1 5°,冷却效果最好的两排孔位置组合为 ( 40°,60°)。结果还表明 :在较大的二次流流量条件下,采用单排孔、两排孔或三排孔冷却方案对孔排下游的冷却效果影响不大;但在较小的二次流流量条件下,从冷却效果看,较好的孔排冷却方案依次为 :三排孔、两排孔及单排孔。实验参数范围是 :主流雷诺数 Re=4 2 0 0 0～ 1 2 70 0 0,平均吹风比 M =0.5～ 2.0