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。     

进口热斑对涡轮级影响的非定常数值模拟

通过求解二维N-S方程对涡轮级进口有温度畸变时的流场和温度场进行了非定常数值模拟。由于叶排间的相互运动,使叶片表面压力和叶栅通道内的流场呈周期性地变化;当涡轮进口有热斑时,热斑中的气流总温要高于周围气流温度,在通过涡轮级时,热斑中的高温气流会向转子压力面上迁移,导致转子压力面上产生热点。热斑的存在对涡轮级中的压力分布影响很小,但是严重影响温度场的分布。同时进口热斑相对导叶的位置对叶片表面温度的分布也有很大影响。      

基于非结构网格的涡轮气热耦合数值方法研究

利用课题组自主开发的三维非结构隐式N-S计算软件CU_Turbo,采用气热耦合计算方法,对MarkⅡ内冷径向涡轮导向叶片、带气膜冷却涡轮导叶MT1的流场和温度场进行了数值模拟。计算过程中,隐式时间推进中Jacobi ans矩阵采用对Roe通量的一种近似方法求解。结果表明,计算值与试验值吻合良好,验证了气热耦合计算方法的实用性和有效性,为涡轮工程设计提供了一种新的计算分析方法;涡轮叶片通道内附面层的不同流动状态及气膜冷却,对当地换热都有很大的影响。     

用气膜冷却来防止热斑引起的涡轮叶片过热

为了防止燃烧室出口热斑引起涡轮叶片过热，通过求解二维非定常N-S方程研究了热斑对高压涡轮一级叶片型面压力和温度的非定常影响，并对气膜冷却这种热防护方法进行了尝试。计算结果与公开发表的实验数据基本吻合。结果显示热斑的存在对涡轮级型面压力影响微小，但是会导致动叶型面特别是压力面的温度显著升高并随时间大幅波动。在动叶压力面鳃区引入气膜冷却对型面压力和热斑在涡轮级内的运动影响不大，但可以有效地阻隔高温热斑与压力面的直接接触，并显著降低壁温和减小温度随时问波动的幅度。     

一种单晶涡轮叶片热机械疲劳寿命评估方法

针对单晶涡轮叶片热机械疲劳(TMF)问题,围绕单晶涡轮叶片TMF试验,结合单晶变形、损伤理论及数值模拟,建立了一套单晶涡轮叶片TMF寿命评估方法.利用空心气冷涡轮叶片TMF试验系统,对单晶涡轮片考核截面在服役条件下所产生的交变应力场和交变温度场进行模拟,确定了裂纹萌生部位及其TMF寿命.考虑单晶涡轮叶片变形和损伤行为的特征,分别建立了基于滑移系的Walker黏塑性本构模型和基于临界平面的循环损伤累积(CDA)模型.利用上述本构和寿命模型,完成了单晶涡轮叶片TMF试验的数值模拟.结果表明:叶片理论危险点与试验结果一致,且计算寿命基本落在试验寿命的3倍分散带内.      

热斑对涡轮二级静叶热负荷影响的实验和数值研究

采用以氦气比拟热斑的实验方法和三维非定常数值计算研究了两级涡轮入口处的热斑对二级静叶通道的影响。结果发现,热斑对二级静叶通道内的热负荷分布具有明显影响:在径向的分布集中于50%叶高以下,在叶栅进口和出口附近,热量集中于下端壁,并随径向高度增加减少;在周向有明显不均匀性;端壁二次流对热斑分布有很大影响。     

涡轮叶栅进口热斑迁移及其影响因素研究试验装置设计

针对涡轮叶栅进口热斑问题,设计搭建了一套涡轮叶栅进口热斑迁移及其影响因素研究的试验装置。采用扰流棒和向主流注入热次流分别模拟进口湍流和热斑,叶栅试验件5叶片4通道结构实现了较好的试验件周期性,采用非金属材料加工叶片并研发了对应的偶丝敷设工艺,通过红外热像仪和热电偶对比测温及进、出口温度场测量实现对热斑的迁移运动追踪。试验验证表明:该装置易于调节进口热斑的周向、径向位置并准确改变热斑温比、湍流度等参数;红外测温结果与热电偶测温结果平均值相差约2.4%,满足涡轮叶栅内热斑迁移及影响规律研究需要。     

涡轮导向器内部流场气-热耦合数值计算

通过对某待定型航空发动机第一级涡轮导向器内部流场采用气-热耦合的数值模拟,研究分析了涡轮导向器内部流场的主要流动特征,给出了叶片表面的温度分布规律,对高性能的涡轮叶片设计有重要的指导意义.     

热辐射对气膜冷却叶片表面热负荷的影响

为了明确不同因素对叶片表面热负荷的影响规律,利用改进的WSGG模型,通过CFD数值仿真进行对流辐射耦合计算, 探明高温燃气辐射传热对叶片表面热负荷的影响。结果表明：进口压力、温度、黑体辐射温度和壁面发射率对叶片表面热负荷均 有一定影响,在进口总温从1750 K升高到2150 K的过程中,叶片表面温度整体升高幅度为250～300 K,而黑体辐射温度对叶片表 面温度的提升最高为40 K。在壁面发射率从0.3提高到0.8的过程中,叶片表面辐射热流密度随之增大,在吸力面和压力面局部区 域辐射热流密度增大了1倍。壁面发射率和高温燃气进口温度对叶片表面的温度和热流作用相当均匀,进口压力和黑体辐射温 度对叶片尾缘、前缘和压力面的热负荷影响远大于其他区域。在此基础上,提出了以进口总温、黑体辐射温度、余气系数和壁面发 射率为自变量,以辐射换热热流密度为因变量的辐射换热的经验准则关系式,获得了该经验关系式的拟合结果,并对该拟合精度 进行了计算,相对误差均小于5%。     

低速模拟技术在高压涡轮级中的应用

借鉴低速模拟技术在航空发动机高压压气机研究中的成功经验,探索了将其应用于高压涡轮部件时的气动设计方法,提出了一种改进的叶型重设计方法.以此方法为设计准则,选取E3发动机高压涡轮的第1级为原型高压涡轮,设计了与其相似的低速涡轮试验设备.在设计过程中保证了两者之间相等或相近的稠度、展弦比等结构参数,相近的效率、负荷系数、沿径向分布的效率和气流角等气动参数,以及类似的无量纲叶片表面等熵马赫数分布形式.数值模拟结果表明:由于低速涡轮设备的落压比、总温比等参数均与原型高压涡轮差别较大,压气机低速模拟中常用的流量系数、叶片表面压力分布等相似参数不再适用.按照给出的结构和气动相似参数所设计的低速涡轮模型达到设计要求,其能够反映出原型高压涡轮主要的气动参数变化趋势,能够作为涡轮内部气动热力学研究的试验载体.      

燃气透平叶型气动与传热的优化设计

建立了一个透平叶型气动与传热优化的两步模型.第1步采用解析多项式曲线构造叶片的参数化造型,基于CFD数值模拟,通过正交设计和敏感性分析,优选几何设计参数.第2步采用贝塞尔(Bezier)曲线参数化叶型型线,以总压损失和表面热流加权函数为优化目标,调整叶型型线,获得了气动性能与热负荷较优的叶型.设计案例的结果表明:增加安装角可以降低叶片压力面热负荷;增大叶片前缘直径可以降低前缘滞止点热负荷.调整叶型的表面曲率分布,有可能推迟吸力面的转捩,弱化叶片表面的传热.两步优化法计算量小,收敛性好,具有工程应用价值.      

涡轮叶片气热耦合数值模拟方法

研究了气热耦合计算模型,建立了采用有限差分方法进行涡轮气热耦合计算的数值仿真平台,并利用该平台采用考虑转捩和不考虑转捩两类湍流模型对具有径向冷却通道的MARK II型叶片进行数值模拟,同时将结果与实验值进行比较,对比表明:考虑转捩的湍流模型能够准确的反映出边界层内的流态和热传导情况,因此壁面处温度和换热系数更接近于实验值,与实验值吻合较好。     

等离子涂层涡轮导向叶片热疲劳寿命预测研究

针对等离子涂层涡轮导向叶片材料的变形特点,引入了粘塑性本构模型.进行了涂层高温氧化实验、带涂层构件热疲劳实验及有限元模拟研究.基于研究结果,建立了可以体现氧化损伤与热疲劳损伤耦合效应的寿命预测模型.计算分析了带涂层涡轮导向叶片的稳态温度场、涂层隔热效果和基于宏观尺度的应力应变场,研究了宏、细观有限元计算结果间的转换关系,提出了等效系数的方法,对涡轮导向叶片表面涂层的热疲劳寿命进行了预测.寿命预测结果合理,方法可行.      

单晶涡轮叶片热机械疲劳试验技术

针对单晶空心气冷涡轮转子叶片的热机械疲劳(TMF)试验要求,建立了涡轮叶片热机械疲劳试验系统,包括加载、加热、气冷、水冷和控制等5个子系统.试验结果表明:该系统能够同时模拟服役条件下单晶涡轮叶片考核截面的应力场、温度场、气冷过程以及应力/温度谱等.利用该试验系统进行了单晶涡轮叶片考核截面的热机械疲劳试验,试验结果再现了涡轮叶片在服役状态下的失效模式.基于上述试验结果可以进行涡轮叶片的寿命预测和失效分析.      

肋条结构对气膜冷却凹槽叶尖流动换热的影响

为有效抑制涡轮转子叶尖泄漏并改善叶尖热负荷,采用数值模拟的方法,对5种叶尖肋条结构的高压涡轮带气膜冷却突肩叶片流场进行计算,评估了不同叶尖肋条结构的气热性能。结果表明：在叶尖增加肋条结构能够有效调控叶尖空腔涡、刮擦涡、肋后涡和冷气肾形涡的路径,从而起到减小叶尖高表面传热系数区,提高叶尖平均气膜冷却效率的作用,同时有效降低了叶片压力侧前缘进入的泄漏流量,使得总压损失系数下降。凹槽尾缘压力侧半肋条结构具有最佳的气热性能,对泄漏流的阻碍作用最好,与无肋条情况相比,其叶尖平均表面传热系数降低了20.1%;平均气膜冷却效率提升了24.3%。     

航空发动机涡轮叶栅进口热斑试验技术

正航空发动机燃烧室出口流场存在着明显的温度不均匀,其局部的最高温度可达到最低温度的两倍左右,这种局部的高温气流被称为"热斑"(Hot Streak)。热斑进入涡轮叶栅后,冷热气流具有不同的迁移路径,会导致叶片表面出现局部高温区,增加叶身热应力,严重时还会出现叶片局部烧蚀。因此,深入研究涡轮叶栅进口热斑迁移特性及其主要影响因素,将有助于制定更为合理的涡轮叶片冷却方案,从而提高涡轮的     

热斑迁移路径分析方法

首先进行了带进口热斑的涡轮级S₁流面非定常计算.在此基础上,通过一些假设条件,提出分段计算和积分计算两种简化的热斑迁移路径分析方法.与非定常计算结果的对比表明:这两种方法在预测热斑迁移路径上具有较高的精度,对热斑通过涡轮级的周向偏移量计算偏差在1°以内.      

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.      

典型层板冷却结构热疲劳破坏特性研究

针对三种不同形式的典型层板冷却结构,设计加工了高温合金材料试验件.模拟涡轮冷却叶片在实际发动机中的高温工作环境,通过冷热循环加载方式试验研究每种层板冷却结构的热疲劳寿命,分析其破坏部位及破坏原因,并与数值计算结果进行了对比.结果表明:层板冷却结构热疲劳裂纹出现在排气板气膜孔附近,并沿气膜孔纵向扩展,内表面扩展程度大于外表面.在三种层板冷却结构中,211型层板冷却结构热疲劳寿命最低,161型和141型层板冷却结构热疲劳寿命相当.     

热斑在1-1/2级涡轮内的非定常迁移数值模拟

对典型的1-1/2级高压涡轮叶栅,通过求解二维非定常N-S方程研究了燃烧室出口热斑对涡轮一级动叶和二级导叶流场和温度场的非定常影响。计算表明热斑的存在对涡轮级型面时均压力的影响微小,但是会显著地增大一级动叶和二级导叶型面压力随时间波动的幅度。计算印证了热斑会导致涡轮一级动叶压力面严重过热的结论,并显示在二级导叶上会出现与一级动叶类似的压力面过热现象。