肋条布局对涡轮动叶凹槽状叶顶传热和气动性能的影响研究

为提高凹槽状叶顶气热性能,探究肋条布局对凹槽状叶顶间隙腔室内旋涡的调控作用和降低传热系数与气动损失的作用机制,采用数值求解三维Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS)方程和k-ω湍流模型的方法研究了肋条布局对涡轮动叶凹槽状叶顶传热和气动性能的影响。基于GE-E~3涡轮级动叶凹槽状叶顶结构,在叶顶凹槽腔室内沿中弧线等间距设计了全肋条布局、吸力侧半肋条布局、压力侧半肋条结构和凹槽尾缘半肋条结构共4种肋条布局。数值模拟动叶叶顶传热系数分布与实验数据对比,验证了所采用的数值方法和湍流模型的有效性。结果表明:凹槽尾缘半肋条布局的叶顶平均传热系数比凹槽状叶顶结构、全肋条布局、吸力侧半肋条和压力侧半肋条布局分别低了11.3%,3.1%,11.3%和2.8%;压力侧半肋条布局与凹槽尾缘半肋条布局的动叶出口截面总压损失系数相近,比凹槽状叶顶结构、全肋条布局和吸力侧半肋条布局分别减小了1.4%,2.7%和4.0%。肋条布局能够有效降低凹槽状叶顶间隙腔室内的旋涡强度,减少叶片的气动损失;同时上游凹槽腔室强度较弱的旋涡通过凹槽尾缘半肋条布局进入下游凹槽腔室,降低了尾缘区域的传热系数。凹槽尾缘半肋条布局的动叶叶顶具有最佳的气热性能。     

高压涡轮冷却叶片叶顶结构气动与传热

开展了叶顶结构及间隙变化对高压涡轮冷却叶片气动与传热性能影响的研究,建立了四种不同叶顶结构的涡轮冷却叶片几何与数值分析模型,进行了高精度流热固耦合分析,得到了不同叶顶结构及间隙对涡轮冷却叶片气动与传热性能影响的数值分析结果。结果表明:不带射流孔叶片随着叶顶间隙的增大,总压损失增加;由于近壁面处存在的涡流,凹槽叶顶结构能够减少叶顶燃气泄漏,阻碍叶顶平面高温燃气的流动与热交换;叶顶射流孔冷却效果明显,能够大幅度降低叶顶平面温度。在相同叶顶间隙下,凹槽射流叶片具有最高的气动性能。     

凹槽状叶顶涡轮叶片传热特性的数值研究

采用计算流体动力学软件ANSYS-CFX数值求解三维Reynolds-Averaged Navier-Stokes(RANS)和标准k-ω紊流模型研究了涡轮叶片凹槽状叶顶的传热特性。数值预测的平顶部叶顶的换热系数分布与实验数据吻合良好,验证了数值方法的可靠性。计算分析了凹槽深度和肩壁厚度对凹槽状叶顶传热特性的影响,还分析了动叶与机匣相对运动下的凹槽状叶顶无气膜冷却和中弧线布置气膜冷却时的流动换热特性。研究结果表明:在肩壁厚度一定时随着凹槽深度的增加叶顶换热系数降低;在1%叶高的叶顶间隙和2%叶高的凹槽深度及4种肩壁条件下1.0mm肩壁厚度时叶顶换热系数最小。相比于动叶与机匣均静止时,动叶和机匣之间的相对运动能够增强动叶顶部的换热效果;动叶与机匣间的相对运动能够增强前缘处气膜冷却效果,总体来说动叶旋转时的离心力和哥氏力对凹槽状叶顶的气膜冷却效果影响有限。     

叶顶凹槽形态对动叶气动性能的影响

 应用数值方法联合标准k-ω两方程湍流模型求解雷诺平均Navier-Stokes方程组,研究了GE-E³发动机第1级动叶片顶部凹槽、凹槽内布置流向肋条以及凹槽内布置横向肋条3种不同的涡轮叶顶结构对动叶顶部泄漏流动以及动叶气动性能的影响。首先详细分析了不同叶顶结构间隙内泄漏流场以及损失分布,接着研究了不同间隙下不同叶顶结构对动叶总体性能的影响,最后对凹槽内布置横向肋条叶顶结构的变工况特性也进行了分析。数值研究结果表明:叶顶凹槽内布置肋条增加了间隙泄漏流动阻力,减小了间隙泄漏流量,其中,凹槽内布置正对着泄漏流方向的横向肋条显著降低了叶顶间隙泄漏流量,从而获得最好的气动性能,尤其在大间隙时更为明显;凹槽内布置横向肋条也具有较好的变工况性能;适当的叶顶结构可以在不影响转子叶片做功能力的前提下使得泄漏流利用凹槽和肋条的侧壁向叶片额外输出有用功。     

涡轮动叶部分吸力侧肩壁凹槽状叶顶气热和冷却性能研究

为了获取高性能的燃气涡轮动叶叶顶结构和气膜冷却布局，采用数值求解三维Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) 方程和标准 湍流模型的方法研究了涡轮动叶部分吸力侧肩壁的凹槽状叶顶气热和冷却性能。数值模拟得到的动叶平叶顶传热系数与实验数据吻合良好，验证了数值方法的准确性。对比0.95吹风比时动叶凹槽状叶顶沿中弧线和近压力侧布置的2种气膜冷却布局的叶顶泄漏流动形态、传热系数和气膜冷却有效度，指出近压力侧的气膜冷却布局B的总压损失大于沿中弧线的气膜冷却布局A；但近压力侧的气膜冷却布局B具有更好的冷却效果。基于近压力侧气膜冷却布局的凹槽状叶顶结构，通过切除尾缘处不同轴向长度的吸力侧肩壁，设计了5种不同的部分吸力侧肩壁的叶顶结构。结果表明：切除10%吸力侧肩壁的Case 7能有效降低总压损失，平均总压损失系数相比完整肩壁的Case 2降低了6.3%；叶顶净热流密度减少和传热系数分布与Case 2基本相同，尾缘处的冷却效率因冷气受到压制附着于叶顶而提高。     

燃气轮机涡轮叶顶间隙气热技术研究进展

涡轮叶顶间隙泄漏流动对其流道内气动损失、传热状况甚至总体效率都有较为明显的影响,是降低涡轮气热性能的关键因素之一。长期以来,叶顶间隙区域的流动传热机理及其气热控制一直是燃气轮机领域研究的一个热点和难点问题。鉴于此,从叶顶间隙泄漏流动机理及影响因素、间隙泄漏控制方法、叶顶传热冷却机理、影响因素与控制、叶顶间隙气热优化以及过渡态叶顶间隙变化规律及建模与控制等方面对国内外近十年来涡轮叶顶间隙气热技术方面的研究进展进行综述,并简要总结了叶顶间隙泄漏流的常用研究方法,包括流动传热试验与数值计算方法等。最后,对涡轮叶顶间隙气热技术的未来研究重点和发展趋势进行了展望。     

开口双肋凹槽式涡轮叶顶间隙流动数值研究

为研究改进的双肋凹槽叶顶结构对大折转角动叶间隙泄漏流动的影响,利用数值模拟的手段,对五种不同叶顶结构在低马赫数为0.3条件下的泄漏损失以及流动特性进行详细的研究分析。数值计算与实验测量结果进行对比校核以保证数值计算的可靠性。研究结果表明,改进的前尾缘开口的凹槽式叶顶结构使得叶栅总压损失降低7.4%,与前缘不开口的方案相比,间隙泄漏损失变化率降低23%,这对涡轮长期运行维持高效的性能有利。改进的叶顶结构对间隙内的流量分布影响明显,压力侧的泄漏流量减少26.7%,而吸力侧增加13.3%。前缘开口形式结构使得压力侧泄漏的驱动压差降低50%,并改变吸力侧泄漏流的流量系数,同样出口气流角展向分布和叶栅流道中的泄漏涡和通道涡均受到明显影响。     

基于跨声速高压涡轮凹槽叶顶间隙模型的大涡模拟研究

为研究跨声速高压涡轮叶顶间隙非定常流动特性及流场结构,基于跨声速高压涡轮凹槽叶顶间隙的几何特征,建立了可行的简化数值模型,并通过大涡模拟对叶顶凹槽间隙内部的非定常流动进行了数值计算,探讨了凹槽叶顶几何参数对流动稳定性和气动性能的影响.研究结果表明,当跨声速泄漏流动流经凹槽叶顶时,在凹槽入口处形成激波,同时凹槽前分离泡发...     

叶顶凹槽间隙气膜冷却的传热数值研究

采用三维气热耦合数值模拟方法,分析了凹槽间隙底面受到泄漏流冲击的流动特性,对气膜冷却参数对凹槽间隙气膜冷却换热效果的影响进行了研究,探讨了吹风比、冷却孔位置、冷却孔角度对壁面换热的影响,并结合三维流固耦合计算,研究了叶顶气膜冷却方式对叶顶表面传热的影响。结果表明,冷却孔位于间隙流动冲击凹槽底面上游位置能有效降低壁面Nu数,获得较低的叶片表面平均温度,此时大吹风比效果更好;所选取的冷却方式使得E3高压涡轮第一级动叶的最大无量纲温度降低了0.156。     

涡轮转子凹槽叶尖泄漏流动气动热力特征

为探索总结凹槽叶尖泄漏流动气动热力特征,利用实验和数值模拟方法,对叶尖凹槽内部旋涡相互作用机理和叶顶流动换热与泄漏流能量再分布等问题进行研究,并对凹槽叶尖参数化设计方法进行探讨。结果表明:搭建的考虑多因素实验台和可视化泄漏流动测量方案可以精确地捕捉到叶顶区域的流动结构;刮削涡在凹槽中起到"气动篦齿"作用,其形态特征的变化直接影响凹槽叶尖对泄漏流动的控制效果;高温泄漏流流体对叶片表面的冲击是叶尖热负荷提高的主要原因;合理选择叶尖气动参数和凹槽的几何参数可以有效控制刮削涡形态,最终提升叶尖气动热力性能。     

间隙高度对某涡轮叶尖间隙泄漏流影响的研究

利用三维湍流数值模拟方法模拟某跨声速高压涡轮流场,研究了转子叶尖间隙高度对涡轮转子间隙泄漏流动的影响,详细描述了间隙流动结构随间隙高度的变化情况。研究结果表明:随着间隙高度的增加,间隙泄漏流流量线性增加,并导致转子叶尖附近流体偏转角度减小。间隙高度每增加1%相对叶高,间隙泄漏流量占总流量的比例约增加2.1%。间隙高度变化对间隙内部流动的影响明显:当间隙比较小时,随着间隙高度的增加,分离泡的大小迅速增加,回流区域减小。随着间隙高度的增加,间隙泄漏涡尺度迅速增加,同时由于泄漏流中高速流体流量增加,通道涡远离叶片吸力面并向靠近机匣的方向移动,泄漏涡也向远离吸力面方向运动。     

有无叶顶冷却涡轮叶栅气热性能的旋转效应研究

为揭示叶片或机匣旋转条件和叶顶冷却对涡轮动叶气热性能的影响机理,选用LISA 1.5级涡轮动叶片,构建叶顶冷却孔,开展了不同冷气流量下的数值模拟研究。计算结果表明:不同旋转条件下,当冷气与主流的流量比为0.3%时,叶栅能量损失最低,当流量比为1.0%时,间隙泄漏流量最低、叶顶传热性能最好。叶片旋转、机匣旋转和平移运动都能降低泄漏损失和泄漏流量,叶片旋转时,叶栅出口下游上半叶高截面的能量损失最大降低约26.10%。旋转效应对泄漏损失的影响不随流量比变化而改变,但对叶栅总损失和叶顶传热品质的影响随流量比增加会不同。当流量比小于0.3%时,叶片旋转情况下叶栅总损失低于静止工况但高于机匣运动工况,且叶顶传热品质最优;当流量比大于0.7%时,叶片旋转使叶栅总损失最高,机匣运动使叶顶传热品质最优。     

肋条结构对气膜冷却凹槽叶尖流动换热的影响

为有效抑制涡轮转子叶尖泄漏并改善叶尖热负荷,采用数值模拟的方法,对5种叶尖肋条结构的高压涡轮带气膜冷却突肩叶片流场进行计算,评估了不同叶尖肋条结构的气热性能。结果表明：在叶尖增加肋条结构能够有效调控叶尖空腔涡、刮擦涡、肋后涡和冷气肾形涡的路径,从而起到减小叶尖高表面传热系数区,提高叶尖平均气膜冷却效率的作用,同时有效降低了叶片压力侧前缘进入的泄漏流量,使得总压损失系数下降。凹槽尾缘压力侧半肋条结构具有最佳的气热性能,对泄漏流的阻碍作用最好,与无肋条情况相比,其叶尖平均表面传热系数降低了20.1%;平均气膜冷却效率提升了24.3%。     

叶顶压力侧小翼对跨声速涡轮级气动性能影响的数值研究

为了研究涡轮叶顶间隙泄漏流动有效控制的方式,本文将肋条小翼结构这种被动流动控制技术应用于涡轮级动叶叶顶中,以控制跨声速涡轮级叶顶间隙泄漏流动并改善其气动性能。通过数值模拟方法,分析了采用平顶方案、肋条方案和小翼肋条方案的涡轮级气动性能和叶顶间隙流动特性,研究了变间隙条件下小翼肋条方案对间隙泄漏流的控制效果,深入探讨小翼最大偏置距离和外倾角对小翼控制效果的影响。结果表明：所采用的肋条小翼结构能够有效地控制叶顶间隙泄漏流动并提高涡轮级的效率;在间隙高度为1mm时,涡轮级效率的提升达到0.51%,叶顶间隙泄漏流率下降48.6%;此外,随着小翼外倾角的增加,涡轮级效率逐渐增加并存在一个最佳的向外偏置距离为1.2mm。     

超高负荷涡轮叶栅叶顶间隙流动特征及间隙高度的影响

采用数值模拟方法研究了超高负荷涡轮叶栅叶顶间隙流动特征,详细分析了泄漏涡、叶顶分离涡、上通道涡等的流动细节,在此基础上分析间隙高度对流场特征和叶片负荷的影响.结果表明:超高负荷涡轮叶栅叶顶间隙区域存在多种形式的流动分离,泄漏流非常强烈,不仅直接影响上通道涡的形成与发展,使通道涡整体向叶根移动,而且部分泄漏流进入下通道涡;随着间隙高度增加,叶顶分离涡和泄漏涡均明显增强,叶片负荷尤其是叶顶负荷有所降低.      

叶顶抽吸对叶栅间隙泄漏流动的控制研究

为了控制压气机叶尖间隙泄漏流动,减少叶尖泄漏流和泄漏涡对压气机内部流场带来的不利影响,数值模拟研究了在压气机叶栅叶顶位置沿叶片中弧线开槽抽吸对叶尖泄漏流的控制效果,并与端壁流向开槽抽吸方案进行了对比分析。研究结果表明:叶顶抽吸和端壁抽吸直接通过影响叶尖泄漏流的结构形态,减弱间隙泄漏流强度和影响范围,从而提升压气机/叶栅性能。叶顶中游抽吸方案Slot TB对于泄漏流与泄漏涡的控制效果优于叶顶上游抽吸方案Slot TA;而机匣端壁上游抽吸方案Slot CA相较于中游抽吸方案Slot CB对叶顶流场改善效果更佳。叶顶抽吸和端壁抽吸在抽吸量为0.6%时分别可以使总压损失系数下降约3.3%和7.2%。     

涡轮动叶凹槽状叶顶传热特性和气动性能的不确定性量化研究

基于非嵌入式多项式混沌展开方法,结合Smolyak稀疏网格技术与Sobol Indic方法构建了涡轮动叶凹槽状叶顶传热特性和气动性能不确定性量化分析系统。研究并量化了几何参数叶顶间隙和运行工况参数主流进口总温与气膜冷却吹风比不确定性对涡轮动叶凹槽状叶顶气热特性的影响。不确定性分析结果表明：在考虑叶顶间隙与主流进口总温和吹风比不确定性的情况下,叶顶换热量 基本符合正态分布。 的统计均值相对于设计值增加13.56%并且其偏离设计值10%的概率高达65.68%。相比叶顶尾缘区域,叶顶前缘部分的换热量对不确定性输入更加敏感。前缘区域的叶片壁面换热量 的不确定性明显大于尾缘部分。在叶顶间隙与主流进口总温和吹风比不确定性的影响下,0-80%轴向弦长区域内叶顶总压损失系数存在微小偏差,但在80%轴向弦长以后区域总压损失系数的不确定性偏差会达到约50%。敏感度分析的结果表明主流进口总温是叶片换热性能不确定性的主导变量,其对 与 不确定性的贡献分别为93.87%和98.32%。叶顶气动性能的不确定性则完全由叶顶间隙控制,其对叶顶总压损失系数不确定性的方差占比高达86.44%。与主效应相比,各变量间的二阶交互效应对叶顶气热性能的影响几乎可以忽略不计。     

Control of squealer-tip leakage flow with perforated-rib coolant injection in an axial turbine cascade

A novel perforated-rib configuration is proposed for controlling the tip leakage flow at the rotor tip of an axial turbine. Three perforated-rib layouts are considered, wherein a perforated rib is installed at (A) the Suction-Side squealer (SS-rib), (B) the Pressure-Side squealer (PS-rib), and (C) the additional squealer along the blade Camber Line (CL-rib). A numerical method is used to show how the novel rib layouts affect the aerodynamic performance of the tip leakage flow. Results show that the coolant jets issuing from the perforated-rib injection holes penetrate deeper into the tip clearance than those in the baseline squealer-tip case, and how the perforated-rib coolant injection affects the tip leakage flow depends strongly on the rib layout. The PS-rib and CL-rib layouts appear promising for controlling the tip leakage flow, playing a significant role in reducing the total pressure loss and improving the turbine blade’s isentropic efficiency. In particular, under an injection mass flow ratio of 1% and a tip clearance of 1% blade span, the PS-rib layout reduces the leakage mass flow rate by 27% and increases the isentropic efficiency by 1.25% compared with those in the baseline squealer-tip case. Meanwhile, the advantages of the PS-rib layout in tip leakage control are confirmed under small and large tip clearances.