复合式气冷涡轮叶片内流动和换热计算

本文给出了复合式气冷涡轮叶片内冷气流量分配、温增加和换热系数迭代求解方法和计算实例 ,还讨论了转动效应对冷气流动和换热和影响。并成功地应用于高性能推进系统气冷叶片的设计 ,同时也可用于气冷涡轮叶片改型和模底分析、验算     

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     

涡轮复杂气冷叶盘结构变形分析模型简化方法

基于高压转子开展高压(HP)涡轮转子叶片叶尖变形分析可提高叶尖间隙的数值模拟精度,而高压涡轮转子叶片由于其复杂的气冷结构,有限元分析网格数量巨大;叶片和轮盘的榫接结构属于非线性分析,也需要足够的计算机时。针对该问题提出了一种复杂气冷叶片的简化方法和榫接结构接触计算简化方法,在不影响计算精度的前提下提高计算效率。采用该方法对典型结构高压涡轮转子进行了变形分析,与采用复杂气冷叶片模型和接触分析方法的变形分析结果进行比较。结果表明:涡轮叶片叶尖最大径向变形相对误差为0.47%,计算机时减少99%,证明简化方法和计算方法的有效性。      

带密布气膜冷却孔的涡轮叶片等效应力分析方法研究

以带气膜冷却孔的航空燃气涡轮发动机涡轮叶片为研究背景,引入了等效概念对密布小孔结构进行了详细的应力-应变分析。这种等效分析方法是把多孔材料转化为具有等效材料常数的等效实体材料。根据MARC大型通用软件的线弹性及弹-塑性有限元应力分析结果,将小孔效应转化为等效弹性常数及等效应力-应变曲线。最后以某发动机高压涡轮工作叶片为例,将得到的等效材料参数引入到叶片的有限元强度计算中,从而得到考虑密布孔影响的涡轮叶片应力应变场,并通过子模型计算得到更为准确的孔边最大应力。     

定向结晶气冷涡轮叶片应力分析

本文利用大型非线性有限元通用程序对定向凝固结晶的气冷叶片进行了热弹性分析。对DZ-22材料性能常数进行了分析和确定。建立了横观各向同性的本构模型。根据叶片模型和最大工作状态选用八节点三维元计算了离心应力、热应力和总的当量应力, 作了相应的前后置处理。      

复合式气冷涡轮叶片内冷气流动和换热计算

本给出了复合式气冷涡轮叶片内冷气流量分配，温增和换热系数迭代求解方法和计算实例。并且，讨论了转动效应对冷气流动和换热的影响。它已成功地应用于高性能推进系统气冷叶片设计，而且，也可用于气冷涡轮叶片改型和膜底分析，验算。     

气冷高压涡轮模拟试验研究

为了量化评估冷气掺混对高压涡轮性能的影响,综合分析现有设备能力,采用动量比相似的模拟方法,在2个结构和测试布局相同,但叶片分别为实心叶片和气冷叶片的涡轮上进行对比试验,并借此开展冷气流量、气膜孔位置因素对涡轮性能影响的试验研究。结合试验数据对比分析不同的效率计算方法,确定有效效率为气冷涡轮效率的计算方法。试验结果表明:涡轮性能随冷气流量的增加逐渐恶化,作功能力逐渐下降,效率降低幅度呈先减小后增大趋势;从前缘至尾缘,冷气越靠后进入主流道,气体能量利用率越低,涡轮效率越低。     

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.      

“遄达”发动机的涡轮设计

与燃烧室一样，涡轮设计对于长寿命和低维修成本来说是极其重要的。随着涡轮进口温度的升高，涡轮部件需要改善冷却、材料和融热涂层。众所周知，罗尔斯·罗伊斯公司是气冷涡轮叶片的先驱者。早在1952年就最早试验过气冷涡轮叶片，1956年该公司的第一种锻造的气冷涡轮叶片投入生产。BRZll发动机系列从1992年的一22型采用简单冷却孔锻造叶片发展到1987年一524型采用多路回转冷却通道铸造定向凝固叶片，涡轮进口温度从1530K提高到1730K。“道达”892的涡轮设计是建立在RBZll的使用经验和当代三维气动、冷却和材料技术的基础上的，所有的转…     

涡轮叶片全表面换热特性试验研究

气冷叶片表面对流换热系数对气冷叶片设计至关重要。为了研究气冷叶片表面对流换热特性,设计了典型气膜冷却叶片,采用试验与数值计算相结合的方法对气冷涡轮叶片表面流动换热特性进行了对比研究,获得了叶片表面温度场及叶栅通道内部流场分布特征。结果表明:叶片表面的换热受叶栅流道结构的影响较大。在叶片前缘滞止点以及主流加速剧烈的位置换热较强,加入气膜孔可以局部增强叶片表面的对流换热,但却没有改变叶片全表面换热的变化趋势。     

叶片表面喷气对叶栅性能影响的试验研究

航空发动机的不断发展,使涡轮前的温度越来越高.尽管材料科研发展迅速,但仍赶不上温度提高的要求,涡轮叶片必须采用气冷,这就对涡轮气动性能带来了影响.本文介绍了用平面叶栅吹风试验方法研究气膜冷却叶栅在各种工况下对叶栅气动性能的影响,获得了许多有价值的结论.     

带冠空心冷却叶片的三维应力分析

 带冠的高温空心冷却叶片,由于它的形状复杂,工作时所承受的离心力大,温度高,气动力分布极不均匀,因此到目前为止,尚未见有准确可靠的计算方法,一般只能靠实验或统计的方法来对付生产使用中出现的问题。 为试图解决此一问题,我们采用高阶的三维等参元素来离散复杂的叶片形状。用节省内存空间而精度又高的波前法来求解此特大型方程组。用高阶双三次Coons样条插值函数来拟合叶型的空间曲面。为验证本方法和程序的可靠性,计算了各种例题,做了真实叶片的高速旋转实验,它们都证明了本方法的可靠性和计算精度是满意的。 本方法的适应性也较强,用它可以计算实心和空心的、带冠和不带冠的、伸根和非伸根的、高温和常温的各种类型叶片。     

涡轮动叶表面换热特性的试验研究

航空发动机性能的提高对涡轮叶片耐热极限提出了更高的要求,为了更准确地分析涡轮叶片的传热特性,选取某型气冷涡轮动叶10%、50%和90%叶高的特征型面通过低导热光敏树脂材料经过3D打印而成,通过叶片表面粘贴厚度为0.02mm康铜加热膜接通恒定电流加热,使用红外热像系统精确测量叶片壁面温度,在平面叶栅中研究了吹风比(M)和雷诺数(Re)对气膜绝热冷却效率和努塞尔数(Nu)的影响(试验中基于弦长的进口雷诺数Re为8.0×10⁴-16.7×10⁴,吹风比M为1-3)。试验结果表明：M=1时气膜能够较好附着在叶片表面,叶片表面得到较好冷却;随着主流雷诺数的增加,绝热壁面温度逐渐升高,绝热效率逐渐降低;吹风比对涡轮叶片的传热特性的影响与气膜孔出流角度有关,随着吹风比的增大,压力面绝热冷却效率逐渐增大,由于吸力面的气膜孔出流角较大,吹风比增大使得吸力面的绝热冷却效率逐渐减小;随着吹风比的增加,对流换热系数增大。     

涡轮叶片多次弯曲冷却通道的换热研究

多次弯曲冷却通道是燃机高温叶片的一种典型冷却结构。Metzger等人针对叶片冷却问题曾对转角为180°矩形弯曲流道的压力损失进行了研究,但其换热特性目前还没有公开发表的研究资料。本文用实验方法研究了不同高宽比、不同曲率半径比和顶端有排气孔的多次弯曲180°矩形流道内的流动特性与换热规律。      

空心气冷低压涡轮动叶气热耦合数值模拟

以空心气冷低压涡轮动叶为研究对象,采用高质量的流体域和固体域网格控制技术,带转捩模型的双方程SST湍流模型,开展了基于CFD方法的叶片气热耦合问题研究。获得了不同冷气流量比(分别为1.0%,1.38%,1.8%和2.2%)、温比(分别为2.1,2.25,2.3,2.4和2.5)和压比(分别为1.4,1.6和1.8)对叶片换热特性的影响规律,设计状态中截面按弧长平均的叶片壁面金属温度计算值较试验值偏小0.3%,气热耦合计算的叶片壁面温度分布与试验结果吻合良好,验证了气热强耦合计算方法的精度,为涡轮叶片温度场分析提供了一种有效的方法。     

Identification of crystal orientation for turbine blades with anisotropy materials

A novel approach to identify the crystal orientation of turbine blades with anisotropy materials is proposed. Based on enhanced mode basis, with the main advantages of its efficiency, accuracy and general applicability, the blade vibration mode of each order is linearly constructed by several specified mode shapes, which are obtained from the considered turbine blade with specified crystal orientations correspondingly. Then, a surrogate model based on Kriging method is introduced for constructing the condensed perturbed matrix of stiffness in order to improve the efficiency even further. The constructed surrogate model allows to perform the modal analysis of turbine blades with arbitrary crystal orientations in higher efficiency, due to the fact that the elements of condensed perturbed matrix of stiffness are considered in construction of the surrogate model rather than concerning the perturbation of all the elements of the initial stiffness matrix for the blade. Genetic algorithm is finally employed to optimize the defined fitness functions in order to identify the crystal orientation angles of turbine blades. Several corresponding examples demonstrated the accuracy, efficiency and general applicability of the proposed method.     

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。