基于非结构网格的涡轮气热耦合数值方法研究

利用课题组自主开发的三维非结构隐式N-S计算软件CU_Turbo,采用气热耦合计算方法,对MarkⅡ内冷径向涡轮导向叶片、带气膜冷却涡轮导叶MT1的流场和温度场进行了数值模拟。计算过程中,隐式时间推进中Jacobi ans矩阵采用对Roe通量的一种近似方法求解。结果表明,计算值与试验值吻合良好,验证了气热耦合计算方法的实用性和有效性,为涡轮工程设计提供了一种新的计算分析方法;涡轮叶片通道内附面层的不同流动状态及气膜冷却,对当地换热都有很大的影响。     

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。     

前缘气膜孔布局对涡轮转子叶片流动传热的影响

为了研究不同前缘气膜孔布局对叶片内部冷却系统、温度场分布的影响,针对某典型冲击-对流-气膜复合冷却高压涡轮转子叶片,保持叶片主体冷却结构不变,通过改变叶片前缘各列气膜孔的数量形成5种结构方案,完成了1维流动换热及3维有限元温度场计算。并模拟发动机工况,试验研究了叶片内腔流量特性、叶片中下部2个截面的平均冷却效果随压比、流量比的变化规律。计算及试验结果均表明:涡轮转子叶片前缘气膜孔数量及布局对叶片前腔冷气量、前缘温度分布影响明显,而对后腔冷气量、尾缘温度影响较小。     

高压涡轮转子叶片端面的流动与换热特性研究

通过数值计算,对高压涡轮转子叶片凹槽端面的流动与换热特性进行了初步研究,并与平板端面进行了比较.计算结果表明:叶尖间隙越小,凹槽的节流效果就越明显;转速对叶片端面换热系数的影响不显著;小间隙对叶片端面平均换热系数的影响较大.     

内冷涡轮叶栅三维气热耦合数值模拟

为了研究涡轮动叶的内部冷却技术,对采用绝热边界的实心叶片、采用气热耦合的实心叶片和采用气热耦合的空冷叶片进行了研究.发现叶片导热对叶片温度场的影响相当显著;具有带肋蛇形通道和涡流矩阵肋片的内冷结构能使叶片温度大幅下降,但叶片表面温度分布不均匀性增大,换热系数沿叶片表面呈不规则分布.      

涡轮叶片冷却设计优化方法研究

针对某型发动机高压涡轮工作叶片,采用试验设计方法,通过对内腔边界条件的主效应分析,对涡轮叶片截面温度分布进行优化。同时,对影响叶片内腔不同流动与换热类型的冷却结构元件换热系数的几何参数进行敏度分析。最后通过综合优化,获得在原设计基础上的优化结果。结果表明,该方法可以把原设计的截面最大温差有效降低。另外,通过对涡轮叶片冷却设计优化方法的探索,还获得了影响叶片冷却设计结果的参数关系曲线,该方法及结果可在涡轮叶片冷却设计时参考使用。     

高压涡轮导叶叶背侧冲击冷却效果的优化与分析

针对高压涡轮导叶叶背侧出现的鼓包开裂现象,采用气热耦合数值计算方法研究了导叶后腔流动和换热.研究发现:后腔冲击结构的冷气分配不合理,造成叶背侧靠近下游区域冷却不充分,形成了较大的温度梯度,进而产生大的热应力导致叶背侧出现鼓包开裂现象.通过调整冲击孔几何参数,提出了两种改进方案.分析了两种改进方案的流动与换热情况,并与原...     

高压涡轮导叶冷却结构对热应变特性的影响

为了研究燃气轮机起动过程中导叶冷却结构对热应变特性的影响,基于气热耦合的方法,对具有尾缘劈缝冷却结构和叶根排气冷却结构的高压涡轮导叶热应变特性进行数值研究。通过研究导叶的气动特性和传热特性,计算获得导叶表面的对流换热系数,并以换热系数作为热边界条件进行热-结构耦合求解,得到导叶在燃气轮机起动过程中的瞬态热应变场。研究结果表明:燃气轮机起动的前10s以及50s之后,冷却结构对导叶热应变影响较大;劈缝结构导叶的最大热应变比叶根排气结构最大热应变大47%;叶根排气结构热应变特性更优于尾缘劈缝结构。     

预旋进气小尺寸涡轮叶片冷却的流动换热

为了获得一种具有直通式冷气预旋进气系统的小型燃气轮机涡轮叶片的流动与换热特性,采用气热耦合计算方法进行数值研究,分析了总压损失、冷却效果和涡轮效率随预旋角、冷气雷诺数和无量纲质量流量的变化规律。结果表明,涡轮叶片预旋进气冷却的总压损失随冷气雷诺数和无量纲质量流量的增大而增大,但基本不受预旋角大小的影响;涡轮叶片的冷却效果随预旋角的减小、冷气雷诺数或无量纲质量流量的增大而增强,但不会改变其表面的温度分布特征;预旋进气冷却时的涡轮效率随冷气雷诺数的增大、预旋角或无量纲质量流量的减小而提高。     

高压燃气涡轮径向内冷叶片气热耦合的数值分析

采用气热耦合方法对采用径向内冷方式的MarkⅡ型跨声速高压燃气涡轮金属导叶进行数值模拟,通过分析叶片通道内的传热和流动过程发现叶片表面附面层内流动非常复杂,包含层流流动、转捩和湍流流动状态,所以只有使用转捩模型计算的叶片附面层内流动与实际情况相符,叶片壁面温度和换热系数分布与实验结果吻合的较好,使用其他湍流模型由于不能准确描述附面层内流动而使得计算结果误差相对较大,但是所有的湍流模型都能很好的模拟附面层以外流动.      

不同位置冷气喷射的试验研究和数值分析

随着涡轮进口温度的提高．采用高效气膜冷却降低叶片表面温度成为涡轮设计的主要目标之一。本文采用接近真实条件下的冷气参数,在高速风洞中进行了在叶身不同位置的冷气喷射试验,并对试验结果采用CFD软件进行了数值模拟,分析了不同冷气位置、不同冷气喷射对叶栅总损失的影响。分析了冷气喷射流场的结构,数值模拟的总体性能参数与试验结果基本一致。     

基于改进温度评估模型的叶片冷却性能分析

为适应航空发动机涡轮冷却技术的发展趋势，在传统叶片温度评估模型的基础上加以改进，提出了适用于内外耦合涡轮叶片的温度评估模型。将改进后的温度评估模型嵌入到发动机整机热力性能计算模型中，对飞机/发动机系统耦合分析，研究了F-16战机在典型飞行任务和飞行包线内高压涡轮导叶的冷却性能。结果表明：在全飞行任务下进行分析时，叶片在实用升限、起飞及大爬升率工况下叶片工作热环境恶劣，叶片易超温；叶片表面温度沿径向为增长趋势，在叶顶处达到最大值。在全飞行包线内进行分析时，叶片表面温度随高度变化明显；包线内高空低马赫数区域叶片的最高温度和承受的热应力最大，叶片最高温度可达1 342 K；高空低马赫数区域的综合冷却效率与包线内的最高冷却效率相比，降低了34.2%，叶片冷却性能下降明显。在进行模型参数敏感性分析时，与基准方案相比，当输入参数改变相同比例，改变冷气进口温度对叶片温度的影响最为显著。     

涡轮叶片内部通道流动换热算法改进

在使用工程计算方法对涡轮叶片温度场进行计算时,往往将叶片内流通道简化成光滑或带肋的换热管元件,容易忽略 各内流管段之间的影响,造成计算得到的叶片3维温度场与真实温度场存在较大差异。针对上述问题,为了提高对涡轮叶片3维 温度场模拟的准确度,对涡轮叶片内流通道的换热流动算法进行改进。考虑涡轮内部蜿蜒通道中弯转区和弯转效应2种因素对 涡轮内部流动换热的影响,使用试验得到的数据对2种因素影响区域的换热情况进行修正,利用修正后的算法对某工作叶片进行 温度场计算,并对修正前后叶片温度场进行了对比分析。结果表明：采用修正后算法得到的蜿蜒通道内的气体温度相较于修正前 算法得到的沿程升高更多,修正后算法求得的叶片整体平均温度降低,最大温差增大。     

冷却涡轮定常/非定常流场的内外耦合快速计算方法

通过源项传递的方法将计算叶片内部流动与冷却的流体网络法与计算叶片外部冷却的源项模拟法耦合起来并嵌入到叶片外部三维气动计算程序中,实现了整个冷却涡轮叶片流热环境的快速模拟.基于此方法编写了计算机程序CTUCP.首先将程序应用到涡轮静叶栅C3X的定常冷却计算中,并与CFX的计算结果进行了对比,结果表明:CTUCP计算稳定、计算速度要快一个数量级以上,并且对叶片表面前缘之外区域的温度分布总体趋势预测基本相符.然后将程序应用到C3X脉动冷却的计算中,计算了两种冷气进气脉动幅度下叶片的冷气与壁温脉动特点.      

有冷气掺混的涡轮气动设计计算方法

本文介绍的设计计算方法 ,直接计入质量和能量掺混 ,但间接计入动量掺混影响。计算程序可以计及涡轮进口沿径总温、总压不均匀的影响、叶片冷却型式不同的影响以及各计算节点的比热和气体常数不同的影响。叶列损失按给出的损失模型迭代求解。在轴向间隙站对混气采用流线曲率法求解径向平衡方程。本计算程序可以用于多级气冷涡轮设计     

气冷涡轮叶片三维换热问题计算

建立了三维气冷涡轮叶片换热计算的热-流耦合计算模型, 将辐射热量作为源项加入到方程中, 采用热-流耦合方法完成了某气冷涡轮叶片带辐射的三维换热计算.辐射热量的计算采用了P-1辐射模型, 比较了计算辐射和不计辐射时叶片表面的温度值及温度分布的差异.计算表明对于1600 K这样的高温燃气, 辐射热量不可忽略, 考虑辐射热量后, 叶片温度明显升高, 温度分布也产生了显著差异.      

管道网络算法在涡轮内冷叶片换热计算中的应用

基于管道网络算法的概念,开发了适用于内冷通道换热计算的程序,耦合外流场求解程序HIT3D,以Mark II叶片实验工况5411的结果做验证,传热系数和温度的计算值与实验值有着较好的吻合.在此基础上,对某型高压涡轮动叶内冷通道的复杂流路,建立流体网络计算模型.对原型结构吸力面一侧叶顶新增一排气膜孔,并对前部和后部蛇形通道的两组相邻通道间新增连接起平衡作用的贯通孔各3个.改型设计和原型都用开发的管道网络程序计算流动和换热参数.结果显示:在入口冷气边界条件相同条件下,相对原型,改型设计最高温度和平均温度都有10K以上的降低,叶片吸力面局部高温区集中的状况改有所善.改型设计效果在CFX全三维模拟中亦得到证实.      

4级空气冷却透平气动性能三维数值研究

对某型燃气轮机带空气冷却的4级透平进行了详细的三维数值研究,并将其结果与一维计算结果进行了对比。重点考虑了如何引入进入4级透平中的各种类型冷气的方法,包括构造叶片和端壁面气膜冷却结构、构造叶片尾缘冷气喷射缝以及在叶片排交界面前后端壁面增加冷气质量源等。计算结果显示：4级透平出口总参数与基于试验数据的一维计算结果吻合较好,说明该方法准确可行;此外,在得到多级空气冷却透平三维流场特性的同时,也可以得到绝热壁条件下的气膜冷却壁面温度场特性。