翅片-管复合式减涡器温降及流阻特性数值模拟

为了探索翅片-管复合式减涡器盘腔内径向内流总压损失及温降特性的分布规律,对简单盘腔、管式减涡器、翅片-管复 合式减涡器3种模型在不同转速、不同工况下的流场结构、总压损失分布规律及温降系数进行了数值模拟。结果表明：翅片-管复 合式减涡器能明显减小盘腔内的旋流比,提高气流径向引气效果,从而提高引气品质,其温降效果和减阻性能均优于管式减涡器 和简单盘腔的。管式减涡器与简单盘腔相比,其温降效果提高约54.3%,减阻效果提高约64%;翅片-管复合式减涡器与管式减涡 器相比,其温降效果提高约3%,减阻效果提高约40%。翅片-管复合式减涡器的整体性能最优,具有较高的工程应用价值,其研究 结果对压气机二次空气系统设计具有一定的指导意义。     

翅片安装高度对共转盘腔减阻特性影响的数值研究

为了探索翅片安装高度变化对共转盘腔径向内流总压损失的影响规律,对不同转速、翅片径向安装高度下的去旋系统展开了数值研究,得到了不同工况下径向内流共转盘腔的流场结构及总压损失分布曲线。研究结果表明:翅片安装高度能够影响盘腔内部旋流比分布情况,翅片吸力面流体的旋流比大于压力面侧;随着翅片安装高度的升高,减涡器的总压损失先减小后增大;在所研究工况及结构参数下,翅片下端径向高度与盘腔高度比值为0.476时减涡器的减阻效果最好,压力损失系数降低16%左右;在一定条件下,翅片式减涡器总压损失主要集中在翅片所在盘腔分区;翅片上端和下端盘腔分区总压损失对减阻性能的影响起决定性作用,且上端的影响大于下端的影响。     

压气机引气系统典型减涡器减阻特性对比分析

为对用于压气机引气系统的典型减涡器结构的减阻特性进行对比,采用数值模拟与试验研究相结合的方法对带三种典型减涡器的径向内流共转盘腔模型开展研究,并与无减涡器共转盘腔基准模型进行了对比。模型试验验证了数值模拟方法的可靠性,通过数值模拟,分析了各模型流场结构、速度分布、哥氏力分布和压力损失特性,对典型减涡器的减阻特性有了更深入的认识。结果表明：虽然三种典型减涡器结构差异较大,通过布置不同结构的减涡器,降低或抑制了共转盘腔内旋流比的增长速度和幅度,显著降低了压气机引气系统径向内流共转盘腔的压力损失,获得相近的减阻效果。与基准模型相比,在计算模型进出口截面间,去旋喷嘴式减涡器模型压力损失降低了73.4%;管式减涡器模型压力损失降低了80.7%,翅片式减涡器模型压力损失降低了84.5%。     

反旋进气混合式减涡结构流动特性数值计算

提出了一种将反旋进气孔与减涡管相结合的混合式减涡器,数值研究了其减阻引气效果,分析了旋转雷诺数、无量纲入口质量流量对内部流场结构和压力损失的影响。研究发现:在混合式减涡器引气结构中,静压沿径向平缓降低,在周向分布均匀;随着无量纲入口质量流量或旋转雷诺数的增加,引气结构总压降呈现单调上升的趋势,其中在高旋转雷诺数、低无量纲质量流量工况下具有突出的减阻性能,其对应的湍流参数为0.106 4~0.324 5。相比于简单盘腔,反旋进气孔式及管式减涡器的压力损失分别降低62.5%、60.5%,混合式减涡器可降低80.4%,体现出良好的减阻引气效果。      

翅片位置对复合式减涡器减阻性能影响数值模拟

为了探索翅片-管复合式减涡器的翅片安装位置对共转盘腔径向内流压力损失的影响规律,对不同转速、翅片周向位置及安装角度下的去旋系统开展了数值研究,得到了不同工况下共转盘腔径向内流的流场结构及压力损失分布曲线。研究结果表明:减涡管能引导流体径向流入,并降低流体的旋流比;相比于管式减涡器,翅片-管复合式减涡器能明显降低盘腔内的总压损失;在不同旋转雷诺数下,翅片的周向安装位置α及安装角β均存在最佳值;在中、高旋转雷诺数下,最佳值分别为α=9°,β=30°,最佳结构下总压损失较基础模型低40%左右;改变翅片周向位置及安装角度可以明显改变气流进入减涡管的角度,在较优情况下,可以减小流体流入减涡管的阻力及在减涡管内的流动阻力,整体上减小了盘腔内总压损失。     

进口流量对无管式减涡器流阻特性影响研究

为分析进口流量对压气机引气系统无管式减涡器压力损失的影响及无管式减涡器减阻效果,采用数值模拟与试验研究相结合的方法对无管式减涡器开展研究,并与直喷嘴模型进行了对比。模型试验验证了数值模拟方法的可靠性,通过数值模拟,建立了无管式减涡器流阻特性"S"形曲线三分区模型,分析了无管式减涡器各截面间压力损失及其占比随无量纲质量流量变化规律。在计算流量范围内,与直喷嘴模型相比,无管式减涡器平均可降低压气机引气系统压力损失约45.9%。在第二拐点处,共转盘腔内压力损失降低了96.44%,此时无管式减涡器减阻效果最佳,较直喷嘴模型压力损失降低了73.44%。     

管-隔板复合式减涡器流阻特性

为了探索管-隔板复合式减涡器结构对共转盘腔径向内流流阻特性的影响规律,对不同转速、管-隔板复合结构下的去旋系统展开了数值研究,得到了不同工况下径向内流共转盘腔的流场结构、总压损失以及沿程总压损失分布曲线。研究结果表明:相对于基础管式减涡器,管-隔板复合式减涡器可以明显降低盘腔内的总压损失。管式减涡器盘腔上游安装隔板的减阻效果要优于盘腔下游安装隔板的减阻效果,且上游隔板和下游隔板存在最佳无量纲长度为0118和0065,与基础模型相比,最佳减阻效果分别提高17%和5%。在最佳隔板长度下,管式减涡器上、下游同时安装隔板的减阻效果最好,相比于基础模型,减阻性能提高19%。     

管式减涡器压力损失特性数值研究

数值研究不同的减涡管长度、鼓筒孔周向位置及鼓筒孔结构对管式减涡器系统减阻性能的影响。结果表明,特定工况下存在最优管长使得系统进出口总压比最小,不同管长减涡管系统的主要压力损失来自于不同部分。其中,减涡管较短时压力损失主要来自于减涡管入口处,减涡管较长时压力损失来自于管内摩擦损失。鼓筒孔周向位置对盘腔内气流流动特性的影响较小,对总压比的影响可以忽略。鼓筒孔结构对减阻效果的影响较大。在所研究的三种鼓筒孔结构中,鼓筒孔开孔在周向上越长其总压比越小,鼓筒孔变为贯通缝时最优管长减小。     

旋转盘腔去旋系统数值模拟

对带有管式减涡器的盘腔内流动特性进行数值模拟,研究了减涡管的长度、管径和引气鼓筒孔的外形及尺寸,对盘腔内压力损失、流动结构的影响。计算结果表明:管式减涡器对于降低引气气流的压力损失有显著作用,存在最佳的减涡管长度使得引气的压力损失最小;减涡管管径、鼓筒孔面积增大都会减少流动损失;在鼓筒孔面积一定的情况下,长圆形鼓筒孔的性能比圆形鼓筒孔的更优。     

减涡管出口角度对去旋系统特性影响数值模拟

针对带管式减涡器的径向内流共转盘腔结构,为了研究导流管出口角度对盘腔内流场结构、压力损失的影响规律,数值模拟了不同转速和出口角度下的盘腔内部流场,获得了不同工况下的总压损失分布柱状图。结果表明:在相同转速下,直管式与60°弯管式减涡器降低压力损失的效果相近,90°弯管式降低压力损失的效果最好,30°弯管式降低压力损失的效果最差;在所有转速下,压力损失随出口角度的变化分布存在1个最高点;增加转速,压力损失总体减小。     

狭缝斜肋内冷通道流动和换热特性的数值研究

为了探究狭缝斜肋的流动和换热特性,进一步挖掘传统斜肋的性能,采用数值模拟的方法,研究了五种不同位置和倾斜角度的狭缝对45°斜肋流动和换热特性的影响,计算的进口雷诺数为2×104～8×104,并与传统的实心肋进行了对比分析。结果表明,狭缝的存在显著改变了冷却通道的流动结构以及换热分布,降低了冷却通道的阻力损失,减小了通道整体的强化换热系数,但同时增加了肋片表面的强化换热系数,且狭缝的位置和倾斜角度的不同对通道性能也存在一定的影响。对比综合热效率,狭缝斜肋相比实心肋增加了约12%～15%。     

带斜孔肋大宽高比矩形通道的强化传热特性

为了获得带斜孔肋大宽高比矩形通道的强化传热特性,并寻求最佳的孔排倾斜角度,调节孔排倾斜角度和通道雷诺数,使其分别在0°~30°和3×104~9×104范围内变化,通过数值计算系统分析了通道摩擦因数和带肋壁努塞尔数等参数的变化规律.研究发现:相比于常规肋片,新型斜孔肋有效改善了肋片后方紧邻肋片的局部区域的壁面换热,并降低通道的摩擦因数,但传热增强因子有所减小;随着孔排倾斜角度的增大,通道的相对摩擦因子单调升高,传热增强因子则呈现出先升高后降低的变化过程,因此存在着最优孔排倾斜角度为15°,此时斜孔肋的强化传热综合指标达到最大值;随着通道雷诺数的增大,斜孔肋通道的摩擦因数小幅减小,换热则逐渐增强.      

带前缘涡轮动叶内冷通道流动换热数值模拟

在静止条件下,通过数值模拟的方法对接近真实的带前缘涡轮工作叶片腔模型内的流动与换热进行了分析.结果表明:腔内斜肋引发的三维涡对换热产生了巨大的影响,在一倍肋高范围内, Y-Z 和 X-Y 平面上都出现了肋后涡,使得此处传热系数降低;在 X-Z 平面上,第2通道产生一对方向相反的涡,第3通道只产生一个涡.两个通道中的涡都占据整个横截面,这些涡增加了通道流阻.冲击和气膜流动主导了前缘通道内的换热,冲击产生的一对涡加强了流动掺混,促进了前缘吸、压力面上的换热,而高速的气膜出流推动了这一过程.相同流量工况下,第2通道带肋表面的平均换热和局部换热都是最好的,而光滑的第1通道总压降最小,综合换热性能在各个通道中最高.随着雷诺数的增加,各通道吸、压力面的局部换热和平均换热都增强,但压降系数变化不大.      

半封闭肋化通道射流冲击的实验

运用红外热像测试技术对半封闭肋化通道单排孔射流冲击进行了热像显示实验,揭示出射流雷诺数、冲击间距、肋型排布方式对传热特性的影响规律,并开展了冲击孔流量系数的研究.结果表明:在本文研究范围内,冲击间距与孔径比Zn/d=1时壁面射流区换热效果最好;V型肋化通道在壁面射流区获得了最佳换热效果;冲击孔流量系数随雷诺数增加而变大;在其它工况相同的情况下,V型顺流肋化通道内冲击孔流量系数最大.      

叶片内部蒸汽冷却的数值模拟

在某燃气轮机第二级导向叶片的基础上,对叶片内部进行了设计并采用内部蒸汽冷却方式.采用非结构化网格和Realizable k-ε紊流模型,对同时带15°,30°和45°肋的叶片内外流场以及叶片本身进行了三维热耦合的定常数值模拟.热耦合采用在流固耦合面的热对流和固体导热来实现.内部冷却介质选用比空气热容大,粘度低的水蒸汽.结果表明:带肋的通道流场非常复杂,扰流肋的存在使各壁面的换热都得到了增强,相对于光滑通道换热显著,有明显的冷却痕迹,冷却效果明显;采用蒸汽冷却比用空气冷却效果要好;压力面温度普遍低于吸力面温度.      

小高径比扰流柱冷却通道的换热和流动特性

采用数值模拟的方法,对涡轮叶片尾缘处圆形小高径比扰流柱冷却通道的换热和流动特性进行了研究,分析进口雷诺数和扰流柱间距对冷却通道换热和流动特性的作用过程.结果表明:进口雷诺数的提高能够有效改善冷却通道端壁的换热性能,但这种改善能力随着进口雷诺数的提高而逐渐减弱,同时降低冷却通道的压力损失系数.在两种扰流柱间距中,流向间距是影响端壁换热性能的主要因素,随着流向间距的减小,冷却通道换热性能逐渐变好,压力损失系数降低;横向间距是影响冷却通道流动损失的主要因素,两者大小成反比关系.在通道计算中,扰流柱平均换热性能约是端壁平均换热性能的1.8倍,端壁换热权重约是换热面积比0.824倍,同时该权重几乎不受进口雷诺数的影响.      

带肋横流通道中气膜孔位置对气膜冷却特性的影响

采用数值模拟方法研究了横流通道中气膜孔与肋的相对位置对气膜冷却传热系数和冷却效率的影响.分析了吹风比为0.5,1,2,横流比为0.39,0.585,0.78时孔靠近上游肋、下游肋以及在两肋中间时对冷却效果的影响,研究结果表明:孔位于两肋中间时,气体进入孔时受的冲击较大,外表面传热系数和冷却效率较高;孔靠近上游肋时,气体孔内流动更加均匀,外表面传热系数和冷却效率均较低.      

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%。     

前缘射流对涡轮导叶吸力面多排气膜孔冷却特性的影响

为了研究前缘射流对吸力面多排气膜孔下游冷却特性的影响,在跨声速风洞中进行了实验并采用热电偶获得了气膜冷却效率和换热系数。叶栅进口雷诺数的范围为2.0×105 ~ 4.0×105,出口等熵马赫数为0.95,叶栅前的湍流度小于5%。前缘布置6排对冲圆柱孔,质量流量比的范围为2.00% ~ 3.71%,吸力面布置4排圆柱孔,质量流量比的范围为2.02% ~ 3.74%。实验结果表明：在没有前缘射流时,吸力面的气膜冷却效率随质量流量比增大先升高后下降,存在前缘射流时,质量流量比对气膜冷却效率的影响较小。对所有的工况而言,质量流量比增大都提高了吸力面的换热系数。相比于没有前缘射流的工况,前缘射流显著提高了吸力面孔排附近区域的气膜冷却效率并略微降低了换热系数;在吸力面后半段,前缘射流显著提高了换热系数而对气膜冷却效率影响较小。总的来说,前缘射流改善了吸力面孔排附近区域的冷却效果,但是恶化了吸力面后半段区域的冷却效果。     

涡轮叶片前缘对冲孔排气膜冷却特性的数值研究

对涡轮叶片前缘对冲孔排和错位对冲孔排的气膜冷却特性进行了数值研究，分别在吹风比为05、10、15、20的工况下，分析了模型表面气膜冷却效率和表面传热系数的分布规律，对比了不同气膜孔排结构和孔间距对下游气膜冷却效率和传热系数的影响。结果表明:相比于传统同向倾斜孔排结构，对冲孔排结构并没有减弱气膜的冷却特性，反而在靠近端壁处比传统同向倾斜孔排更易于加工；两种孔排下的气膜冷却效率均随着吹风比的增大而减小，而传热系数值均随着吹风比的增大而增大；在孔排近下游范围内，随着孔间距的增大，气膜冷却效率逐渐减小且在小吹风比下更加明显，传热系数值随着孔间距的增大逐渐减小且在大吹风比下更加明显。