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。     

突肩叶尖吸力侧开槽对叶尖间隙流动换热特性的影响

为了研究突肩叶尖吸力侧开槽对叶尖间隙泄漏流动换热特性的影响,采用标准k-omega两方程模型对不同突肩叶尖形式下的间隙泄漏流动进行了研究,研究的叶顶形状包括全突肩和3种部分突肩叶尖。详细分析了不同叶尖结构在3种间隙高度下的间隙泄漏流场,机匣压比,泄漏流量,总压损失和叶尖表面换热系数。结果表明:吸力侧前缘开槽可以改变前缘附近的间隙泄漏流路径,使得泄漏涡的形成位置后移,从而减小泄漏损失,但是效果微弱;吸力侧尾缘开槽可以改变开槽附近泄漏流体的流动路径,抑制其与主流的掺混,有效减小间隙泄漏损失,研究范围内最多减小8%。吸力侧前缘和尾缘开槽叶尖均会增加间隙泄漏流量,开槽长度越大泄漏流量越大,研究范围内最多增加32%。吸力侧前缘开槽会减小具有高换热系数的突肩表面积,增加凹槽表面换热系数;尾缘开槽会减小突肩表面积,增加凹槽底面的低换热系数区域的面积。     

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。     

燃气轮机涡轮动叶顶部气动与传热特性的数值研究

应用SSTκ-ω湍流模型并结合SIMPLEC算法,对燃气轮机涡轮动叶叶顶间隙及通道冷却流场进行数值模拟。通过在叶顶靠近吸力面侧、压力面侧以及中弧线位置处设置冷却孔排,研究不同孔排布置对叶顶气动性能及气膜冷却效果的影响。结果表明:冷却喷气有效削弱了叶顶间隙泄漏损失,降低了泄漏涡对叶栅出口截面气动损失的影响;在肩壁的作用下泄漏流形成了分离涡,涡流的移动强化了叶顶的传热和冷却效果,增强了壁面与泄漏流之间的对流换热,同时在靠近上端壁和沿着流道轴向方向形成均匀的压力梯度;叶顶孔排有效地组织了二次流并减小了叶顶表面的温度梯度和叶栅通道下游的气动损失,但对整个叶栅通道气动性能的改变影响较小。     

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。     

跨声速涡轮静子端壁气膜冷却数值研究

对跨声速涡轮静子端壁气膜冷却进行了数值研究。研究发现涡轮静子端壁存在几个强换热区域：叶片前缘马蹄涡及前缘马蹄涡区域、吸力面马蹄涡分支覆盖区域、通道中靠近压力面侧和尾缘附近及尾缘后区域。针对端壁区域复杂的换热分布,设计了1种新型端壁全气膜冷却布置。通过数值研究对比了在不同进口吹风比情况下的壁面Nu、壁面气膜冷却效果和壁面热负荷。结果表明：存在最佳的进口吹风比,即在前缘Minlet=1.0时,尾缘Minlet=4.0时,端壁区域冷却效果最好。     

跨声压气机动叶弯、掠对静叶静压脉动的影响

对一单级跨声压气机采用了三种弯、掠动叶后设计工况下的非定常流场分别进行了数值模拟,分析了动叶弯、掠对下游静叶表面静压非定常脉动的影响.研究结果表明:三种弯、掠动叶都减轻了静叶前缘顶部和根部的静压脉动,使静叶前缘所受到的静压扰动沿径向分布更为均匀,尤其是弯掠动叶的作用最为明显;除去叶片前缘区域,三种弯、掠动叶对下游静叶的顶部压力面和吸力面的扰动都有所减弱,仍然以弯掠动叶的作用最为显著,而在静叶的中部和根部前缘区域之外的表面,动叶的弯、掠对压力扰动的影响不明显.      

阻尼台对轴流跨声速压气机性能的数值研究

以一台高负荷、高转速的单级跨声速轴流压气机为对象,采用全三维数值方法对有无阻尼台的压气机内部流场进行模拟,着重讨论了压气机转子中带阻尼台部分区域及端壁区域的流场。数值计算结果指出阻尼台的引入降低了该压气机的性能。流场分析表明,带阻尼台后增大了动叶中部通道(阻尼台附近)及静叶靠近机匣的区域的流动损失,但对动叶顶部流场、动叶吸力面附近的分离线位置和形状影响很小。     

低速轴流涡轮转静子干涉的非定常数值模拟

低速涡轮内部流动在低雷诺数进口条件下可能涉及流态转变,增加了流动的复杂性。为了分析低速涡轮在低雷诺数下的三维流动结构,对低速轴流涡轮内部流场进行了数值模拟,获得了叶片通道中的三维流场结构。在与实验结果进行对比确认的基础上,详细分析了由转静干涉效应引起的非定常流动现象及其对涡轮气动性能的影响。结果表明,低雷诺数状态下,转静干涉效应对低速轴流涡轮静叶通道内流动状况的影响小于对动叶通道内流动的影响;动叶表面的分离流区位置位于叶中和叶顶之间,使得顶部通道涡沿周向拉伸。这种拉伸运动使得气流参数在叶顶附近的周期性变化幅度大于叶根附近的变化幅度。     

高压涡轮尾切凹槽叶尖冷却换热特性

为研究尾切凹槽状涡轮叶片叶尖的表面换热,通过瞬态风洞实验得到无冷却和带除尘孔两种情况下叶尖表面传热系数,并将其与数值模拟结果进行对比,实验结果的不确定度小于5%。分析叶尖间隙流场情况,无冷却时,由于腔底的空腔涡和凸肩壁的分离泡,高表面传热系数集中在压吸力侧凸肩和腔底前缘处;腔底后半段沿压力侧存在条状低表面传热系数分布。有除尘孔冷却时,冷却气体分为高低能两股流体,高能流体随泄漏流流出,造成吸力侧凸肩存在多段高表面传热系数集中分布;低能流体紧贴凹槽压力侧向后流动,对应位置冷却效率可达0.4以上。