涡轮叶冠换热特性实验与数值模拟

利用数值模拟及实验方法对涡轮叶冠间隙流场换热特性进行了研究,分析静止状态下叶尖泄漏流雷诺数、前后孔岀流比、叶尖间隙等参数对叶冠的表面传热系数的影响.结果表明:叶冠转速的变化对表面传热系数影响较小;随着泄漏流雷诺数的增加,叶冠的平均表面传热系数增大;平均表面传热系数随前、后孔岀流比增大而增大,其中前孔出流比的影响较为明显;叶尖间隙减小,平均表面传热系数增大,并且随叶尖间隙的减小,增长越来越快.将计算与实验结果进行了比较,吻合良好,误差小于10%.      

涡轮叶冠间隙流场PIV测量

为了研究带有冷却气流的涡轮叶冠间隙流场流动特性,采用粒子图像测速仪(PIV)技术得到了叶冠间隙流场中各个典型截面的瞬时流场显示,并对叶冠间隙流场特性进行了研究.研究发现:由于叶冠腔内有两股叶尖冷却气流的注入,叶尖泄漏流流过叶冠间隙时会与两股冷却流相互掺混,从而使腔内气流的流动状态变得非常复杂,因此在叶冠突肩之后以及叶冠腔内流体汇合处会有大小方向各异的涡流产生.同时,两股冷却气流均对泄漏流有一定的阻挡作用,前孔冷却流的阻挡作用更为明显.随前孔与后孔岀流比增加,前孔流及后孔流对泄露流的阻挡作用增强.      

大弯角串列叶栅间隙效应数值研究

为了将串列叶栅更好地应用于高负荷核心压气机后面级,通过直列叶栅的方法,引入高度倾斜的附面层来流条件,对采用串列叶栅作为核心压气机后面级的静子进行变间隙数值模拟研究.比较低展弦比串列叶栅不同间隙、不同附面层来流条件的叶栅整体性能、尖部载荷及叶尖泄漏涡的发展情况.结果表明：随着间隙增大,叶尖区域堵塞加强,损失加大;倾斜附面层来流,低叶展总压损失得到明显改善;小间隙时叶尖产生两个间隙泄漏涡,前叶泄漏涡在叶栅通道中部消失,后叶泄漏涡在近前缘产生;随着间隙增大,泄漏涡绕卷起始点后移.     

不同叶尖间隙下的涡轮转子出口 三维流场测量

采用圆锥四孔高频压力探针测量了某涡轮不同叶尖间隙下转子出口的三维时均流场.结果表明转子出口参数均呈现明显的周期特性.叶尖间隙对转子出口流动品质有较大影响;间隙大时,泄漏流显著,对应的机匣二次流动较弱;间隙小时,机匣附近的二次流动较强.泄漏流区域的速度低,对应的相对总压小,损失大;泄漏流导致气流亏转,对应的静压高,膨胀程度小于主流,增大间隙,膨胀比变小,涡轮做功能力下降.      

雷诺数对涡轮叶尖流场影响的数值研究

采用基于压力修正的三维计算流体力学程序，结合雷诺应力湍流模型和剪切应力传输湍流模型加壁面函数的方法，对某一轴流涡轮转子叶尖间隙流场进行了数值计算研究，详细计算了不同涡轮叶尖间隙高度和来流湍流度条件下雷诺数对涡轮转子间隙流场的影响，最后计算了转子效率。结果表明：当泄漏流流经叶尖时因为叶尖剪切力做功有块总压增大区；雷诺数带来的影响比湍流度和叶尖间隙高度带来的影响要大，湍流度的变化对流场影响不大；雷诺数对泄漏涡尺寸的影响不大，但低雷诺数会引起流动分离，带来损失，当雷诺数在文中的范围内变化时，效率下降近八个百分点。     

径向进气轴向出流旋转盘腔总压损失特性研究

在径向进气轴向出流的旋转盘腔中,在哥氏力的影响下,流体速度的切向分量和流体的总压损失均增大,用数值计算方法研究其损失特性缺乏验证。采用试验方法研究了径向进气轴向出流旋转盘腔的压力损失特性,测试了不同工况下的旋转盘腔的进、出口总压,分析了流量系数和旋转雷诺数对径向进气旋转盘腔总压损失的影响规律。试验结果表明：旋转盘腔的总压损失随旋转雷诺数的增大而增大。随流量系数的变化规律较复杂,在较小旋转雷诺数下,总压损失随流量系数的增大而增大;在较大旋转雷诺数下,总压损失随流量系数的增大先减小后增大。     

带肋和双排出流孔通道的流动特性

研究了通道进口雷诺数和总出流比对带肋和双排出流孔通道流量系数和压力分布的影响。实验研究的通道入口雷诺数为3×104~1.5×105,通道总出流比为0.09~0.22。结果表明:通道总出流比较小时,流量系数沿流向减小。通道进口雷诺数增加,流量系数先增加,之后基本不变;通道总出流比较大时,流量系数基本不变;各工况下总压系数沿流向依次经历迅速减小、基本不变、继续减小的过程;沿流向各位置上的总压系数在通道进口雷诺数为6×104~9×104时最小;出流比增大,沿流向各位置上的总压系数随之增大。     

跨声速叶栅中气膜冷却对平面叶尖流动和传热特性的影响

采用数值模拟的方法,研究了主流跨声速条件下,高压涡轮中平面叶尖上气膜冷却的流动和传热特性.在不带冷却的平面叶尖上,激波在端壁和叶尖表面来回反射,从叶片中部到尾缘,叶尖表面传热系数呈现条带状分布.采用气膜冷却方法后,冷却气体使得叶尖间隙内的流体减速,激波和叶尖上表面传热系数分布的条带结构不明显.冷却气体覆盖了冷却孔下游的区域,当冷却孔进口和叶栅进口总压比从0.7增大到1.0时,叶尖平均气膜冷却效率从18.7%下降到11.5%.和不采用气膜冷却的平面叶尖相比,当气膜孔进口和叶栅进口总压比为0.9时,叶尖平均表面传热系数增加了16.9%,传热量降低了8.7%.      

突肩叶尖开槽对叶尖间隙流动和冷却特性的影响

为了分析不同叶尖形式下的间隙泄漏流动,采用标准k-ε两方程模型求解雷诺平均N-S方程组的数值方法,研究了突肩叶尖开槽对叶尖流动和冷却特性的影响,气膜孔位置、机匣相对运动和吹风比也在考虑范围之内,详细分析了间隙泄漏流场、泄漏流量、泄漏损失以及叶尖气膜冷却效率。研究结果表明:突肩叶尖前缘和尾缘开槽均会使间隙泄漏流量增大,且随着开槽长度的增加而增大。压力侧尾缘开槽会使间隙泄漏损失增大,叶尖气膜冷却效率略微降低;吸力侧尾缘开槽会使得部分泄漏流从开槽处流出间隙,抑制泄漏流与主流之间的掺混,从而减小泄漏损失,并且会使叶尖气膜冷却效率增大;吸力侧前缘开槽对间隙泄漏损失和叶尖气膜冷却效率没有明显影响,但是从前缘进入凹槽内的泄漏流会改变叶尖表面气膜冷却效率的分布。吹风比增大时叶尖结构对叶尖气膜冷却效率的影响减小。机匣相对运动会减小叶尖间隙泄漏流量、泄漏损失和叶尖气膜冷却效率,但是突肩开槽的影响规律不变。     

大叶尖间隙下叶栅性能数值模拟

利用NUMECA软件对某线性叶栅的三维流场进行了数值模拟,对比研究了小叶尖间隙和大叶尖间隙时叶尖泄漏涡流的形成和发展,探讨了叶尖间隙大小对叶栅流场和气动性能的影响。研究表明,随着叶尖间隙的增大,叶尖泄漏射流发展成为叶尖泄漏涡,涡流范围不断增大,涡流强度增大趋缓,涡流使得气流偏转减小。从小间隙逐渐增大到大间隙,总压损失与叶片载荷均增大,而在大叶尖间隙时,总压损失增加并不显著,叶片载荷增大趋缓。其结论为进一步揭示叶尖间隙涡流的流动机理以及工业燃气轮机的优化设计提供了参考。     

叶尖间隙控制系统供气部件特性及模拟方法

针对低压涡轮叶尖间隙控制系统中典型供气管路，即圆形截面90°弯曲冷却管，开展其工作特性和模拟方法研究.通过1∶1单管模型试验结合三维数值模拟方法，研究了冷却管上冲击孔的出流特性，分析了进气参数、冲击孔排布对冷却管内气体流动及流量分配的影响规律.在此基础上，提出了基于冲击孔进口有效总压概念的冷却管一维网络流动计算模型，建立了低压涡轮叶尖间隙系统中典型供气管路的一维网络流动计算方法，并应用于某型发动机组件流量特性试验设计中.研究中发现，随着远离进口位置，冷却管冲击孔出流流量和冲击孔流量系数逐步增加；随着进口雷诺数的增加，冷却管内冲击孔出流流量均有所增加，而冲击孔流量系数基本保持不变.试验数据和计算结果比对表明，所建立的一维网络流动计算模型可以准确模拟出冷却管的出流特性，计算结果同组件流量特性试验数据之间最大相对误差为4.5%，在叶尖间隙控制系统这类系统复杂流路的流动问题分析中具有良好的应用效果.      

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。     

涡轮叶栅叶尖间隙流实验研究(英文)

This article describes the effects of some factors on the tip clearance flow in axial linear turbine cascades. The measurements of the total pressure loss coefficient are made at the cascade outlets by using a five-hole probe at exit Mach numbers of 0.10, 0.14 and 0.19. At each exit Mach number, experiments are performed at the tip clearance heights of 1.0%, 1.5%, 2.0%, 2.5% and 3.0% of the blade height. The effects of the non-uniform tip clearance height of each blade in the pitchwise direction are also studied. The results show that at a given tip clearance height, generally, total pressure loss rises with exit Mach numbers proportionally. At a fixed exit Mach number, the total pressure loss augments nearly proportionally as the tip clearance height increases. The increased tip clearance heights in the tip regions of two adjacent blades are to be blame for the larger clearance loss of the center blade. Compared to the effects of the tip clearance height, the effects of the exit Mach number and the pitchwise variation of the tip clearance height on the cascade total pressure loss are so less significant to be omitted.     

狭缝型接受孔对径向预旋系统的影响

为提高径向预旋系统温降减少系统的流动损失,运用数值模拟方法对比分析不同长宽比的狭缝型接受孔及传统直孔型接受孔对预旋系统温降流阻特性的影响。结果表明,随着狭缝长宽比在1~10范围内增加,接受孔有效流通面积增大,喷嘴出口气流流速及系统无量纲质量流量均增大;当旋转雷诺数大于2.6×106时,系统温降随着狭缝长宽比的增加而增加,总压损失随之先增加后趋于稳定。长宽比为6~10的狭缝型接受孔较传统直孔型接受孔有更高的温降及较高的压力损失。当旋转雷诺数等于7.9×106,长宽比为10的狭缝式接受孔较传统直孔接受孔系统温降系数增加36.7%,总压损失系数增加2.2%。     

气膜孔位置对突肩叶尖气膜冷却效率的影响

采用标准k-ε两方程模型求解雷诺平均Navier-Stokes方程组，研究了气膜孔位置对突肩叶尖间隙泄漏流场、气膜冷却效率和表面传热系数的影响，共模拟了3种气膜孔排布方式:中弧线气膜孔、吸力侧气膜孔、前缘气膜孔，考虑了间隙高度（t）和吹风比（M）的影响。研究结果表明:在冷气流量相同的情况下气膜孔位置对突肩叶尖气膜冷却效率影响很大，中弧线气膜冷却突肩叶尖在中弧线到压力侧突肩区域有较好的气膜覆盖；吸力侧气膜冷却突肩叶尖在中弦处的吸力侧突肩到中弧线区域和尾缘区域有较好的气膜覆盖；前缘气膜孔突肩叶尖在整个叶尖表面都有较好的气膜覆盖。间隙高度对不同突肩叶尖的影响不同。吹风比增大时前缘气膜孔突肩叶尖的气膜冷却效率增幅远大于其余两种排布方式。      

涡轮叶尖间隙泄漏流动主动控制数值模拟

结合基于压力修正的雷诺应力湍流模型加壁面函数的三维计算流体力学程序,对某一轴流涡轮转子采用叶尖间隙射流主动控制对泄漏流场的影响进行了数值模拟.结果表明:在涡轮叶尖表面选择合适射流孔位置进行射流可以提高涡轮转子效率,其中大间隙下通过射流孔组合射流可以提高涡轮效率0.35%,小间隙下可以提高0.3%;在射流孔区域靠近叶片表面处流场结构中鞍点数和结点数相等,满足奇点总数规律.      

涡轮机匣流动阻力特性实验

通过实验测量了不同雷诺数（80000~260000）情况下整个涡轮机匣腔内的压力分布,总结了涡轮机匣腔内压力分布和流动阻力特性.实验结果表明:①在腔二到腔三的过渡区域,压力下降非常明显,压力损失较大;②随着雷诺数的增大,静压系数有增大的趋势,增大的幅度在19%以内;③随着雷诺数的增大,总压损失系数变化较为平稳,变化范围在10%以内.      

高湍流度时全气膜涡轮叶片表面冷却和换热特性的实验研究

为获得高主流湍流度时全气膜涡轮叶片表面的冷却和换热特性,在跨声速风洞中实验研究了质量流量比(MFR)和主流雷诺数(Re)对叶片表面气膜冷却效率和换热系数比的影响。在叶片前缘布置了5排圆形孔,在吸力面和压力面分别布置了3排和6排圆形孔,实验结果由嵌入在叶片中截面的热电偶测得。实验中基于弦长的主流雷诺数的范围为3.0×105～9.0×105,叶栅出口马赫数Ma为0.8, MFR的范围是5.5%～12.5%,主流湍流度Tu为14.7%。实验结果表明:主流雷诺数升高显著增强了叶片表面的换热,使层流边界层到湍流边界层的转捩位置提前。对于吸力面S/C0.2的区域(S/C为当地弧长与弦长之比),气膜冷却效率受MFR影响明显,当MFR大于7.7%时提高MFR会导致气膜冷却效率降低;该区域的换热系数比在中低雷诺数时受MFR影响较小,在高雷诺数时随MFR升高而升高。压力面S/C-0.7区域的气膜冷却效率随MFR升高而升高,-0.7S/C-0.4区域的气膜冷却效率受MFR影响较小,对于整个压力面而言,MFR升高提高了叶片表面的换热系数。相对于叶片其它区域,压力面后半段区域和吸力面的气膜冷却效率受雷诺数影响较大。