高压涡轮工作叶片内部流场特性试验研究

为研究变工况特性下涡轮叶片内部通道流场特性，选取高压涡轮二级工作叶片内部通道作为研究对象，在5种不同的进口雷诺数（Re）工况下，利用TRPIV（时序PIV）技术对通道内的流场特性进行了试验研究。Re变化为32426～64700，模拟了飞行循环过程中的若干典型工况。在先进加工技术的辅助下，保留了真实叶型约束下的完整内冷三通道带肋结构，捕捉到一些不同于常规截面两通道模型等简化模型中的流动现象，包括：弯头区域不对称主流分离结构和非对称二次涡系。通过数据分析，明确了高、低雷诺数下流动特性的差异。在高Re工况条件下，弯头出口附近的冲击区域增大；对于第一通道内的二次流，在接近弯头位置处，横向速度分量会导致纵向涡对的强度被削弱，高Re工况下拥有更加剧烈的影响，极有可能削弱吸力面的换热强度。     

Optimization of cooling structures in gas turbines:A review

Attempts for higher output power and thermal efficiency of gas turbines make the inlet temperature of turbine to be far beyond the material melting temperature. Therefore, to protect the airfoil in gas turbine from hot gas and eventually prolong the lifetime of the blade, internal and film cooling structures with better thermal performance and cooling effectiveness are urgently needed.However, the traditional way of proceeding involves numerous simulations, additional experiments,and separate tr...     

Heat transfer characteristics in a narrow confined channel with discrete impingement cooling

Heat transfer characteristics in a narrow confined channel with discrete impingement cooling were investigated using thermal infrared camera. Detailed heat transfer distributions and comparisons on three surfaces with three impact diameters were experimentally studied in the range of Reynolds number of 3000 to 30000. The experimental results indicated that the strong impingement jet leaded to a high strength heat transfer zone in the ΔX=±2.5D_j range of the impact center,which was 1.3–...     

旋转爆轰波与涡轮平面叶栅相互作用数值模拟

由于旋转爆轰燃烧室具有自增压特性，可提高热力循环效率，因此将旋转爆轰燃烧室应用于燃气轮机可进一步提高系统的性能。基于非稳态雷诺时均Navier-Stokes方法，采用剪切应力输运k-ω湍流模型，建立旋转爆轰燃烧室与涡轮平面叶栅耦合计算模型，研究旋转爆轰燃烧室内的复杂波系与涡轮叶片的相互作用，分析涡轮叶栅对高频爆轰压力振荡的抑制作用。结果表明：旋转爆轰燃烧室内的燃气在涡轮叶栅内加速，并且在斜激波后的局部区域马赫数的增加更为明显。斜激波与涡轮静转子叶片的前缘、压力面、吸力面以及尾缘相互作用，由于旋转爆轰波不同的传播方向，使得斜激波与静子叶片呈相互垂直或平行，进而形成两种不同的波系结构。涡轮叶栅对高频压力振荡存在明显的抑制作用，涡轮叶栅上下游高频压力振荡幅值的衰减率达到80%以上。研究结果展示了旋转爆轰波作用下涡轮叶栅内复杂波系结构特征，并对基于爆轰燃烧推进技术的应用提供了一定的理论基础。     

Topology optimization of turbine disk considering maximum stress prediction and constraints

For the stress-constrained topology optimization of a turbine disk under centrifugal loads, the jagged boundaries of the mesh and the gray densities on the solid/void interfaces could make the calculated stress field inconsistent with the actual value. It may result in overestimating the maximum stress and thus affect the effectiveness of stress constraints. This paper proposes a new method for predicting the maximum stress to overcome the difficulty. In the process, a predicted density is newly defined to obtain stable boundaries with thin layers of gray elements, a transition factor is innovatively proposed to evaluate the effects of intermediate-density elements, two different stiffness penalty schemes are flexibly used to calculate the elastic modulus of elements, and a linear stress penalty is further adopted to relax the stress field of the structure. The proposed approach for predicting the maximum stress value is verified by the analysis of a structure with smooth boundaries and the topology optimization of a turbine disk. An updating scheme of the stress constraint in the topology optimization is also developed using the predicted maximum stress. Some key ingredients affecting the optimization results are discussed in detail. The results prove the effectiveness and efficacy of the proposed maximum stress prediction and developed stress constraint methods.     

启动过程压缩空气储能向心涡轮三维流动特性研究

为研究压缩空气储能系统的向心涡轮启动过程内部流动损失特性，本文采用全三维计算流体动力学（CFD）模型对其启动过程过程进行了数值模拟，与实验结果对比表明，虽然该模型在启动初始阶段与转速稳定阶段存在一定误差，但仍能够整体上反映启动过程的效率变化特征。在此基础上，进一步分析了启动过程中动叶通道内损失区及流场变化特征，结果发现，动叶进口攻角是影响内部流场主要因素：在启动初始阶段，叶轮进口攻角较大，动叶载荷集中在叶片前缘，形成明显的通道分离涡与前缘涡；在快速启动段，攻角减小，动叶载荷沿弦长分布更为均匀，通道分离涡及前缘涡逐渐减小并向叶片吸力面迁移。在整个启动阶段，动叶通道内高损失区也随着通道分离涡逐渐迁移且变小，并向相邻叶片吸力面集中。     

预旋结构对空间布雷顿循环涡轮盘表面换热特性的影响

针对空间核动力航天器涡轮盘表面温度过高和温度梯度较大的情况，提出了一种预旋涡轮盘冷却结构。采用数值模拟的方法对比分析了有无预旋2种冷却结构下的涡轮盘表面换热特性，研究了旋转雷诺数对换热效果的影响。计算结果表明:与无预旋结构相比，预旋结构可以有效地提高氦氙冷却气流与涡轮盘的对流换热系数，降低其表面最高温度和温度梯度，最高温降可达63.1 K。随着旋转雷诺数增大，涡轮盘表面最高温度降低，轮盘表面平均换热系数增大，采用预旋结构的表面平均换热系数比无预旋结构增大13.4%。     

轮盘模拟件破裂试验及其有限元描述

建立了与材料延伸率相关的轮盘破裂准则。以某型发动机低压压气机第1级轮盘为研究对象,模拟轮盘工作时榫槽底的应力分布,设计制造了模拟试件,并在材料试验机上对2个模拟试件进行了试验;借助MSC.MARC商用有限元软件,应用弹塑性、大应变、大变形的非线性有限元方法,描述了轮盘模拟件破裂试验的过程。经验证,计算结果和试验结果相一致。     

涡轮动叶部分吸力侧肩壁凹槽状叶顶气热和冷却性能研究

为了获取高性能的燃气涡轮动叶叶顶结构和气膜冷却布局，采用数值求解三维Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) 方程和标准 湍流模型的方法研究了涡轮动叶部分吸力侧肩壁的凹槽状叶顶气热和冷却性能。数值模拟得到的动叶平叶顶传热系数与实验数据吻合良好，验证了数值方法的准确性。对比0.95吹风比时动叶凹槽状叶顶沿中弧线和近压力侧布置的2种气膜冷却布局的叶顶泄漏流动形态、传热系数和气膜冷却有效度，指出近压力侧的气膜冷却布局B的总压损失大于沿中弧线的气膜冷却布局A；但近压力侧的气膜冷却布局B具有更好的冷却效果。基于近压力侧气膜冷却布局的凹槽状叶顶结构，通过切除尾缘处不同轴向长度的吸力侧肩壁，设计了5种不同的部分吸力侧肩壁的叶顶结构。结果表明：切除10%吸力侧肩壁的Case 7能有效降低总压损失，平均总压损失系数相比完整肩壁的Case 2降低了6.3%；叶顶净热流密度减少和传热系数分布与Case 2基本相同，尾缘处的冷却效率因冷气受到压制附着于叶顶而提高。     

超临界二氧化碳多槽型干气密封泄漏流动与动力特性研究

针对超临界二氧化碳（SCO₂）旋转机械面临的严重泄漏、气流激振引发转子失稳等问题，以美国通用电气公司10MWe SCO₂循环中高压涡轮的轴端密封为研究对象，设计了螺旋角15°和30°的螺旋槽、T型槽和ST型槽的四种槽型结构的干气密封。采用基于动网格技术和非定常CFD数值方法的微尺度摄动模型，研究了在实验边界条件下干气密封的稳态性能及在轴向简谐微扰动下SCO₂涡轮轴端干气密封的非稳态动力学特性。对比分析了3种动压槽深度、2种动压槽角度下的干气密封泄漏量、静态气膜刚度、动态气膜刚度和阻尼系数。研究表明：四种槽型均满足泄漏流量的设计要求。随着动压槽深度的增加，干气密封开启力与泄漏流量均增大。ST型槽干气密封有着较大的气膜刚度和刚漏比，同时其在面对轴向微尺度摄动时最为稳定，是综合性能最优秀的干气密封结构。