考虑冷气的多级涡轮翘曲S1流面的气动优化

为了缩短涡轮气动设计的周期,进一步发掘涡轮叶型的改进潜力,搭建了多级涡轮的翘曲S1流面气动优化平台.该平台具有速度快,周期短的特点.在考虑冷气的前提下,对多级叶片进行多层并行优化,避免了单列优化后叶列间匹配差的缺点,同时克服了多层S1流面的气动效率此消彼长的缺陷.对某型两级高压涡轮进行了气动优化设计,优化后10%,50%,90%叶高的S1流面的考虑冷气的气动效率分别提高了0.569%,0.490%,0.405%;第1级和第2级考虑冷气的气动效率分别提高了0.18%,0.05%;涡轮整体气动效率提高了0.15%;优化效果明显.经过分析可知,优化有效减小第1级导叶的通道横向二次流损失和第1级动叶的激波损失,第2级的原始叶型设计较为合理.下端壁喷射冷气是降低S1流面优化有效性的重要原因.     

多级考虑冷气掺混流片变厚度的S_1流面研究

为减少气冷涡轮气动设计难度,提出一套基于多级气冷涡轮考虑冷气掺混及随流道翘曲、变厚度的S1流面计算思路,编制了带冷气的翘曲S1流面薄片计算的参数化方法程序及网格自动生成程序,改良了传统平面薄片,对比分析了改良后平面薄片、翘曲S1流面薄片以及三维计算间差异,对某高压涡轮进行了翘曲S1流面薄片气动优化.结果显示:与三维计算对比,改良后平面薄片最大流量差距为22.68%,翘曲S1流面薄片为3.58%,一维数据上翘曲S1流面薄片更逼近三维计算;型面压力分布及马赫数云图分布上翘曲面S1流面薄片较改良后平面薄片更贴近三维计算;采用翘曲S1流面薄片进行优化后,效率较原始方案提升0.41%,流量较原始方案仅增加0.21%.     

吸力面不同吹风比切向冷气喷射对跨声速涡轮叶栅气动性能的影响

为进一步探究跨声速涡轮中吸力面切向冷气喷射对叶栅气动性能及气膜冷却效果的影响,以跨声速涡轮叶栅作为研究对象,采用数值模拟方法,通过在叶片吸力面不同位置开设切向冷气喷射槽,进行不同吹风比下的冷气喷射,对跨声速气冷涡轮叶栅的总体性能以及流场细节进行了详细研究。研究结果表明,吸力面切向冷气喷射有利于减小跨声速涡轮叶栅激波损失,叶栅最大马赫数可减小0.104;切向冷气喷射槽位于尾缘内伸激波反射点上游,且吹风比处于0.75～1.00内时,叶栅能量损失最小;吹风比的增大有利于减小甚至消除冷气槽内分离泡,并能够减小唇部激波强度。     

跨声速涡轮静子端壁气膜冷却数值研究

对跨声速涡轮静子端壁气膜冷却进行了数值研究。研究发现涡轮静子端壁存在几个强换热区域：叶片前缘马蹄涡及前缘马蹄涡区域、吸力面马蹄涡分支覆盖区域、通道中靠近压力面侧和尾缘附近及尾缘后区域。针对端壁区域复杂的换热分布,设计了1种新型端壁全气膜冷却布置。通过数值研究对比了在不同进口吹风比情况下的壁面Nu、壁面气膜冷却效果和壁面热负荷。结果表明：存在最佳的进口吹风比,即在前缘Minlet=1.0时,尾缘Minlet=4.0时,端壁区域冷却效果最好。     

气热耦合条件下涡轮动叶叶型与冷却结构优化

为改善叶片表面温度场,提高叶片气动效率,对燃气涡轮动叶进行了针对叶型以及冷却结构的气热耦合优化。优化结果表明:对冷却结构以及叶型优化后,叶片表面最高温度降低13.64K,平均温度降低6.46K,尾缝冷气出口温度提升6.81K,尾缝出口马赫数由0.24增大至0.30,高温函数降低85.20%,气动效率提高0.58%。通过分析,对该涡轮动叶,尾缘第三腔冷气流动速度的增大及第三腔叶顶冷气低速漩涡区的缩小是减小叶片表面温度的主要因素;型面压差减小导致横向二次流损失的降低及三个截面马赫数减小导致的激波损失降低是减小气动损失的主要因素。     

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。     

轴向收敛造型对燃气涡轮叶栅端壁气膜冷却性能的影响

为有效评估轴向收敛造型对端壁气膜冷却性能的影响,数值研究了不同吹风比下,轴向收敛造型对跨声速燃气涡轮叶栅端壁上游双排离散孔绝热气膜冷却效率的影响。模拟某工业燃气涡轮真实运行工况（进口湍流度为16%、出口马赫数为0.85、出口雷诺数为1.5×106）,采用基于“两类热边界条件”模型的壁面传热系数和绝热冷却效率数值预测方法,比较分析了3种吹风比（1.0、2.5、3.5）下,简化平板端壁结构和轴向收敛造型端壁结构的端壁热负荷分布、绝热气膜冷却效率分布和近端壁二次流场结构,以及端壁上游气膜孔射流对叶片表面的二次冷却作用（幻影冷却）。结果表明:轴向收敛造型可以削弱马蹄涡强度,降低端壁热负荷,尤其是叶片肩部区域;轴向收敛造型可以显著增加端壁气膜覆盖范围和绝热气膜冷却效率,尤其在叶片前缘和压力面等难以冷却区域;随吹风比增加,轴向收敛造型对端壁气膜冷却特性的影响效果先增加后减小,在设计吹风比为2.5时,轴向收敛造型对端壁绝热气膜冷却效率的增强效果最显著（增加约35%）;轴向收敛造型显著增加叶片前缘和压力面幻影冷却面积,尤其是叶片前缘附近面积增加约100%（设计吹风比下,冷却区域达0.1倍叶高）,可有效减小叶片冷却的冷气需求流量。轴对称收敛端壁造型是进一步提高燃气涡轮叶栅端壁绝热气膜冷却效率、减小冷气流量,实现端壁高效冷却布局的有效技术途径。      

导叶冷却对涡轮级性能影响的数值研究

针对某高压燃气三维扭转涡轮导叶全叶身冷气射流进行了数值模拟,详细分析了在设计转速下改变冷气流量对叶片气动性能、冷却效率和叶栅通道损失的影响;对比分析了在冷气流量相同的条件下,改变转速对涡轮级性能影响.结果表明:不同冷气流量对导叶冷却孔附近区域的静压影响较为明显,而对下游转子的型面静压影响不大;导叶冷气射流对叶栅通道内主流气流角影响较小;冷气流量占主流流量由2.50%增加至6.25%,叶片绝热壁温降幅达11.19%,导叶叶栅通道总压损失和能量损失分别增加了12.95%和12.01%,而涡轮级功率和级效率分别降低了2.39%和1.51%.      

斜劈缝涡轮导向叶片尾缘出流气体流动特性数值分析

通过RNG k-ε湍流模型求解可压流的N-S方程,研究燃气轮机涡轮导向叶片尾缘劈缝出流冷气的流动情况。对斜劈缝涡轮叶片的尾缘部分建立了二维模型,根据航空发动机工况设置边界条件并进行数值模拟。研究表明,由于外流和叶片叶盆尾缘厚度的影响,叶盆尾缘端部形成局部回流,叶片尾缘劈缝气体流出后受压力梯度的影响先抬起与叶背面分离,在流过一段距离后由于跨音速流膨胀波的作用,冷气流再次附着在叶背尾缘上。文章讨论了涡轮叶片叶盆不同尾缘厚度、倾斜角度、几何造型对尾缘劈缝处流体流动特性的影响,对比了不考虑外流流动影响时尾缘劈缝处流动情况的影响。      

涡轮静叶叶型与气膜孔优化对气动与冷却性能影响

为研究气膜冷却涡轮叶片中叶型与气膜孔参数变化对涡轮静叶性能的影响,利用气膜冷却涡轮多目标优化平台对存在多列气膜孔的静叶进行多目标优化.获得在优化变量允许范围内针对气动效率与传热效果以及高温目标函数的Pareto前沿解集,整体性能得到了提高,不同方案中气动效率最高提升0.35%,叶片表面温度最大下降0.74%,高温函数降低的最大幅值为45.71%.结果表明:气动效率提升的主要原因是后弯角的提升使得叶型和二次流损失下降;接近驻点处前缘气膜孔方向的改变导致的冷气分流是叶片根部和前缘附近压力侧的冷却情况得到改善的主要原因.