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。     

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。     

带冲击-气膜双层壁结构的涡轮导叶冷却特性源项法数值研究

为了降低由于大量冷却孔导致的计算资源消耗,采用源项法对带冲击-气膜双层壁冷却结构的Mark II涡轮导叶传热进行了简化数值模拟,并与不采用源项法的结果进行了对比。分析了冷却孔网格密度以及流量系数经验关系式对源项法模拟精度的影响。结果表明,采用源项法能够基本准确地模拟叶片表面温度分布并且缩短75%的计算时间。当冷却孔进出口面网格最小尺度小于孔径的1/10时,数值模拟结果将不随面网格密度改变。影响模拟精度的主要因素是经验关系式能否准确模拟总冷气流量以及横流对流量系数的影响。     

离心压气机非轴对称流动特性分析

为探求离心压气机蜗壳周向不对称结构引起的内部非轴对称流动现象,采用实验和数值模拟(湍流模型为S-A模型)相结合的方法进行研究。结果表明:非设计工况下蜗壳高静压区域产生的扰动压力波向上游逆向传播,使压气机内部出现非轴对称流动。大流量工况(0.40kg/s)下蜗壳静压的不均匀程度比小流量工况(0.26kg/s)更明显,叶轮出口较强的扰动压力波可以逆向传播到叶轮进口大约180°的周向位置。流经扩压器的气流径向和切向速度的周向不均匀程度在小流量工况下较为显著,但大流量工况下蜗壳进口气流随时间的波动程度更明显。叶轮内部的非轴对称流动特性对叶片载荷分布及其波动形式产生影响,大流量工况下主叶片表面载荷波动主要受基频影响,而小流量工况下主要受2倍频的影响。     

气膜孔喷气对涡轮气动性能影响的实验研究

为了认识气膜孔喷气对涡轮叶栅气动性能和流场结构的影响,应用涡轮平面叶栅风洞,实验测量和分析了在叶片表面不同位置气膜孔喷气情况下涡轮叶栅流场与性能,实验中气膜孔气流采用与涡轮叶栅相同的空气介质。实验结果表明,前缘气膜孔喷气使得涡轮叶栅损失随喷气流量增大而单调增大;但是,叶片压力面和吸力面气膜孔喷气对涡轮叶栅损失影响规律是复杂的,由于叶片表面不同位置流动特点的不同,在叶片表面不同位置的气膜孔喷气对涡轮叶栅流动损失和流动结构等的影响也是不相同的。     

涡轮叶片前缘旋流-气膜复合冷却内部流动传热特征实验和数值模拟

为了提高涡轮叶片前缘的冷却效率,本研究提出了一种偏置冲击孔的旋流-气膜冷却结构。在20000～50000雷诺数范围内,对冲击孔居中和偏置分别开展实验研究和数值模拟,得到了两种结构的内部传热、流阻和流场特性。实验通过瞬态液晶热像技术获得前缘内表面的详细努塞尔数分布,并结合数值模拟的结果分析了流场特征,对强化换热的机理做出解释。实验结果表明：叶片前缘内部旋流使总体平均努塞尔数提高4.0%~9.4%,同时压力损失降低5.6%~6.4%。数值模拟结果表明,偏置冲击孔利用叶片前缘曲率较大的结构特性产生了强烈的旋流,使高换热区的面积显著增加,改善了内部换热的均匀性。     

克努森数对微尺度相似流动特性影响的实验

为了研究克努森数(Kn)对微尺度相似流动特性的影响,选取理论孔径分别为0.357 4mm的小孔和3.6mm的相似放大孔实验件,并保证相同的长径比.在相同的雷诺数(Re)下对孔的Kn相同和不同的情况进行实验研究,计算孔的流量系数并进行分析比较.结果表明:在相同的Re下,小孔与相似放大孔在Kn相同时,两者流量系数吻合性很好;在Kn不同时,小孔和相似放大孔流量系数不同.因此在采用相似放大模型研究微尺度结构的流动特性时,必须保证相似放大件和微尺度原件Kn相同.     

变流向梯形通道内短扰流柱排的流量分配实验

为了深入了解涡轮叶片尾缘扰流柱区域的流动情况,对叶片内流工程计算程序进行验证,针对气流90°转弯全部从弦向流出的情况,通过实验测量了梯形通道短扰流柱排的端壁静压分布,以及各段弦向出流量沿叶片径向的变化。实验结果表明:(1)静压变化主要发生在弦向,尤其是在弦向出口附近静压变化剧烈,而沿径向静压变化不大。(2)在所研究的Re数范围内,靠近叶片根部和尖部的流量较大,而叶片中部的流量较小。(3)弦向出流量沿叶片径向的变化不超过30%。实验结果对涡轮叶片内部冷却计算具有重要的参考价值。      

非定常流动对叶片表面负荷分布影响的数值模拟研究

叶轮机内部非定常流动与叶片表面负荷分布之间的关系对于叶轮机的设计非常重要。本文利用数值模拟手段对单级轴流涡轮内部非定常流动进行了模拟，研究了上游叶片排尾迹和位势作用对下游叶片表面负荷分布的影响，并分析了尾迹在下游叶片通道内的演化图画。计算结果表明涡轮级环境中，上游叶片排的尾迹等对通道内部流动，叶片边界层流动损失的产生、发展和输运，以及下游叶片表面吸力面负荷分布产生明显的影响，需要在设计中加以考虑；本文还探讨了非定常效应应用于设计的可行性和思路。     

出流比对扰流柱通道弦向出流量影响实验

 为了深入了解涡轮叶片尾缘扰流柱区域的流动情况，对叶片内流通道工程计算程序进行验证，针对不同的弦向出流比(弦向出流量与总流量之比),通过实验测量了梯形通道短扰流柱排的端壁静压分布,以及各段弦向出流量沿叶片径向的分布。实验结果表明：（1）当弦向出流比较大时（c≥0.5 ），沿径向静压变化小，扰流柱区域的流动基本为弦向流动。当出流比较小时(c<0.5)时，沿径向静压变化明显，压力先下降而后回升。扰流柱区域的流动既有弦向流动,同时又有径向流动。（2）大出流比时（c≥0.5 ）各段出流量变化幅度相对较小,而小出流比时(c<0.5)各段出流量变化幅度较大。（3）总压损失系数随着出流比、雷诺数的增加而减小。实验结果对涡轮叶片内部冷却计算具有重要的参考价值。     

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.      

Effect of inlet rotating swirl on endwall film cooling for two representative hole arrangements

The swirl generator is widely used in lean-burn combustor to guarantee flame stability and reduce NO_x emissions. Thus, the non-uniformities induced by the swirler would affect and damage film-cooling effectiveness on the turbine components, even blow-off coolant coverage, to some certain extent. The arrangement of film-cooling holes was normally designed to be perpendicular to the axial direction and in standard straight row. In this work we experimentally studied the effects of inlet swirl and mass flow ratio on traditional film cooling holes arrangement and a new arrangement pattern whose holes are located along the isobars. Results indicated that the swirl perturbation would damage film coverage. The film-cooling effect of endwall on which the holes are along the isobars, is invariably more promising than that of endwall on which hole arrangement is perpendicular to axial with the same mass flow of coolant, whether the inlet conditions is uniform or not.     

水平喷流对叶顶气膜冷却效率影响的数值研究

为进一步提高燃气轮机叶顶区域的气膜冷却效率,在叶顶模型结构上对4种叶顶冷却结构的流动和传热进行了数值模拟,结果显示带有盖板的水平喷流结构能够有效地提高叶顶区域的气膜冷却效率,对于圆孔,可以将气膜冷却效率提高至原来的2倍以上.通过流场的分析发现:水平喷流结构可以调整冷却工质的流动,使得冷却工质的贴壁性更好、分布更加均匀,进而提高气膜冷却效率.此外还研究了间隙宽度、盖板尾缘厚度、盖度和整流栅对水平喷流结构气膜冷却效率的影响.结果表明:增加盖度和减小间隙宽度可以提高气膜冷却效率,但是盖度和间隙宽度的选取受到了强度、工艺和冷却工质入口压力等因素的限制.水平盖板结构的冷却效果比倾斜盖板结构的好.整流栅足够长时可以调整流动、提高气膜冷却效率.      

出流结构对涡轮导叶端壁气膜冷却数值研究

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：圆柱型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型孔。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型孔和前向扩张孔。     

内通道交错横流对气膜冷却效率的影响

采用数值模拟研究了内通道横流对气膜流动和冷却特性的影响,参数变化范围:横流比Cr=0.39,0.78;吹风比Br=1,2;气膜孔长径比l/d=4,8.计算结果表明:①内通道冷气横流使得气膜孔内气流产生较强的涡旋,使得冷气射流的流动具有明显的非对称特征,引起表面气膜冷却效率分布不均;②横流比对表面气膜冷却效率分布影响较大,横流比越大,气膜孔内涡旋越强烈,气膜冷却效率分布越不均匀;③长径比较大时,气膜孔内气流较为规整,气膜覆盖区域较为狭小,气膜冷却效率分布更加不均;吹风比较大时,射流在主流通道上的附着较差,气膜冷却效率较低.      

弯曲壁面上离散孔气膜冷却均匀性的实验研究

本文利用传质比拟传热的方法,研究离散孔气膜冷却在整个弯曲壁面上沿与主流垂直方向的冷却均匀性。比较了单、双排孔和前、后排孔流量不等时,在不同吹风比的条件下,在凸、凹表面上冷却均匀性的特征。     

不同缝槽进气孔间距的纯气膜绝热温比试验研究

通过传热试验法对不同缝槽进气孔间距的纯气膜冷却效率进行研究。研究所用气膜缝槽结构无收缩,进气孔与舌片垂直。试验中主流湍流强度在10%以上,测量气膜绝热壁温以确定其重要冷却效率描述参数——绝热温比。试验结果表明:缝槽进气孔间距对气膜冷却效率影响很大,减小进气孔间距,可以减小缝槽几何特征参数MIX_N,明显提高气膜的绝热温比。      

扩展型面排孔气膜冷却的实验

设计了三种型面的气膜孔扩展结构,研究了气膜冷却效率、壁面换热系数及流量系数随吹风比的变化规律.研究结果表明,与典型的圆柱形气膜孔相比,有后向扩展型面的气膜孔具有相对较高的冷却效率和换热系数,流量系数略有降低.扩展型面的流向扩展角对冷却效率和换热系数的影响大于侧向扩展角的影响.侧向扩展角只在特定吹风比下才对提高气膜的侧向覆盖率、进而提高气膜冷却效率起作用,它使得位于二次流出流下游的低压区域范围增大,流量系数减小.      

横向间距与密度比对双射流气膜冷却特性影响

使用压力敏感漆（PSP)测量技术对平板上的双射流气膜冷却结构进行了研究。双射流孔间横向距离分别为0、0.5、1.0;孔间流向距离保持为3.0。密度比分别为1.0、1.5、2.5,吹风比分别为0.5、1.0、1.5、2.0。研究了孔间横向距离与密度比对双射流气膜冷却效率的影响。结果表明:双射流孔间横向距离为0时,气膜横向覆盖受限;随横向距离增大,气膜覆盖范围增加;但在横向距离过大时,气膜覆盖变差。随密度比增加,射流吹离减弱,气膜冷却效率提高。在高密度比下,横向距离较大的双射流孔气膜冷却效率较高。      

冲击孔对层板冷却叶片前缘传热影响的数值研究

根据典型涡轮导向叶片型面和边界条件,对简化的层板冷却叶片前缘的流动和传热特性进行数值研究.考察了两种冲击孔与气膜孔和扰流柱的孔阵排布方式、两种冲击孔轴线与靶面的夹角设置方式对叶片前缘换热的影响,计算中采用re-normalization group(RNG)k-ε湍流模型.结果表明:在气膜孔、扰流柱排布一定的条件下,不同冲击孔的模型的冷却流量相差不到1%.冲击孔数目越多和孔径越小的模型的靶面表面传热系数越高;叶片前缘表面的冷却效率越高,提高约2%.在同一种冲击孔孔阵排布方式下,冲击孔轴线和靶面的夹角对流阻和叶片前缘的换热影响不大.