平板气膜冷却技术

通过数值模拟研究了双孔平板的气膜冷却效率随吹风比和不同孔型的变化情况.其中孔型分别为圆柱孔、扩张孔和复合孔,它们的射流角均为30°,扩张孔的扩张角为1.79°,复合孔是由圆柱孔和扩张孔结合而得到的新型孔.利用CFD软件对模型进行数值模拟,采用单排双孔模型.对比分析了圆柱孔、扩张孔和复合孔的冷却情况.     

Effects of Trenched Film Hole Configurations on the Endwall Film Cooling and Suction Side Phantom Cooling

To maximize the turbine thermal efficiency, modern gas turbine's inlet temperature is significantly augmented within the past few decades. To prolong the lifespan of gas turbines, many efficient cooling techniques have been proposed and applied in the endwall cooling schemes. However, conventional discrete film hole does not take effect at the leading edge nearby region. In this research, how the trenched film hole configurations affects the endwall cooling and phantom cooling characteristics were deeply studied by using a verified approach. Steady 3D Reynolds-averaged Navier-Stokes(RANS) governing equations together with the shear stress transport(SST) k-w turbulence model have been solved. Firstly, results indicate that trenched film holes greatly influence the cooling effectiveness at leading edge nearby region compared to normal case. Nevertheless, suction side phantom cooling is hardly influenced by the trenched film holes. Secondly, the case with a smaller trench width obtains higher endwall cooling effectiveness, particularly at upstream region. More importantly, the cases with W=3D achieve large cooling effectiveness at leading edge nearby region with little influence by trench depth. Additionally, majority of trenched film holes coolant flow is driven towards middle passage. Therefore, the suction side phantom cooling is unaffected by the trenched film holes.     

Numerical Study on Flow and Cooling Characteristics for Supersonic Film Cooling

With the booming performances of the gas turbine engine, the turbine vane of the gas turbine engine experiences more extreme thermal environment with supersonic flows. The film cooling applied in the supersonic flow condition has essential difference from that used in the subsonic flow condition in the flow characteristics and cooling effectiveness. This article focused on the film cooling of two parallel flows (primary flow and coolant flow) with supersonic or subsonic velocity, respectively. The results show that: on the condition of supersonic primary flow and subsonic coolant flow, the coolant flow with lower momentum is sheared and dragged by the higher momentum primary flow because of the viscous property of fluid． At the meantime, the thermal and momentum of the primary flow transfers into the coolant flow rapidly． It causes the great damage of the film coverage, and the decrease of the cooling effectiveness dramatically． In contrast, on the condition of supersonic primary flow and supersonic coolant flow, the film coverage of the supersonic coolant flow can last further far than that of the subsonic coolant flow on the same blowing ratio． The turbulence kinetic energy seems to be depressed by the shorten of velocity difference of two supersonic flow. Therefore, the cooling effectiveness is enhanced by 45% for the supersonic primary and coolant flow.     

椭圆形突片气膜冷却效率的试验研究

为研究突片对气膜冷却效率的影响,设计了3种不同堵塞比的椭圆形突片,采用红外摄像仪对不同形状突片冷却壁面的温度场进行了测试,并分析了气膜冷却效率随吹风比、堵塞比的变化规律.结果表明:突片的存在大大提高了气膜冷却效果;冷却效率随吹风比的增加而增大;且当x/D<7时,存在一个最佳吹风比值;冷却效率随堵塞比的增加而增加;椭圆形突片的气膜冷却效率要高于三角形突片的气膜冷却效率.     

燃气轮机高温叶片气膜冷却系统的研究进展

气膜冷却是现代燃气轮机透平高温叶片冷却的重要方式。真实透平中的复杂工况对气膜冷却系统提出了严峻的挑战,优化设计气膜冷却系统,提高其冷却性能,同时适应真实透平的工作条件已成为业界关注的一个主要问题。本文综述了近年来在气膜冷却结构设计、气膜冷却系统制造和其在燃机真实条件下运行性能三方面的研究成果。在此基础上提出了气膜冷却研究的发展方向。高温叶片的气膜冷却系统将在更加接近燃机真实运行工况的雷诺数、马赫数、湍流度、吹风比、动量比、密度比以及非稳定流场条件下,沿着优化气膜孔的组合排布、孔形和孔影响区域这三方面进行优化设计,同时考虑加工工艺和长期运行均会导致实际的气膜冷却孔会偏离设计构造的影响。     

开槽气膜孔结构对气膜冷却和流动特性的影响

运用数值模拟的手段,从流动特性和冷却特性两方面评价了各种开槽气膜冷却孔结构的优劣。从流动的机理揭示了在相同的槽深下,不同的横槽结构对改善气膜冷却效率和流量系数的影响,并比较了在气膜孔出口和入口均开有横槽后对流动和冷却特性的影响。结果表明：开横槽后,气膜孔出口下游的冷却效率得到不同程度的改善,吹风比越大,改善的程度越明显。在横槽下游5D-10D的范围内,冷却效率的改善程度最大;在气膜孔出入口处均开有斜横槽的结构和用圆角过渡气膜孔入口处的横槽均是提高气膜冷却效率和减小气膜孔流动阻力的有效措施,而在气膜孔出口处的横槽用圆角过渡则不利于改善气膜冷却效果。     

Investigation of Interacting Mechanism between Film Cooling and Internal Cooling Structures of Turbine Blade

This paper presents three-dimensional numerical simulations with the established realizable k-ε model to clarify the underlying and interacting mechanisms between the film cooling and the internal cooling. On the one hand, the effects of three different internal cooling channels, i.e., smooth channel, continuous ribbed channel, and truncated ribbed channel, on the film cooling effectiveness and the discharge coefficients are investigated. On the other hand, the influences of three different film...     

燃机透平叶片气膜冷却特性研究

采用存在源项的叶栅三维黏性流数值方法计算与分析了存在气膜射流的燃气侧的流动与换热特性,确定了吹气比、来流湍流度、气膜孔展向间距与展向射流角等因素对气膜有效度的影响,并分析了其机理.     

新型缩放槽缝孔气膜冷却效率的数值研究

基于控制容积法对三维定常不可压缩N-S方程进行离散,采用分区域非结构化网格及两层k-ε湍流模型,在吹风比M=0.6～1.5的情况下,对新型缩放槽缝形气膜孔进行了详细的平板气膜冷却数值汁算,得到了在喷孔射流下游处及叶高方向上的气膜冷却效率,并研究了其孔长与孔径比L/D对冷却效率的影响.计算结果表明:高吹风比对缩放槽缝孔沿中心线冷却效率的影响较为复杂;缩放槽缝形气膜孔下游的冷却效率并不随吹风比的变化而单调变化,而是在吹风比为1.0时存在最佳值;在孔口下游较远区域,两个相邻孔之间沿叶高方向的气膜覆盖性较好;缩放槽缝孔的冷却效率随着其孔长与孔径比L/D的增大而增大,当L/D>8时,增加的幅度趋缓.     

离散孔波纹板气膜冷却的实验研究

对两种不同开口规律的离散孔波纹板进行了实验研究,分析了来流气动参数及波纹板的开孔规律等几何参数对冷却效率的影响,建立了离散孔波纹板气膜冷却对流换热模型,用最小二乘法拟合了相应的关系式及关系曲线,并将有关结果与离散孔平板进行了对比研究,得出了离散孔波纹板,尤其是在其波峰与波谷之间开有大孔的离散孔波纹板,在其波峰与波谷之间,冷却效率较低,在孔板的尾端,其冷却效率的增长比离散孔平板明显加快.     

振动平板气膜冷却的数值分析

采用数值方法模拟振动平板单孔气膜冷却过程,对比不同振动频率、不同振幅和不同吹风比下气膜孔中心线下游绝热壁面的有效温比曲线,并分析了气膜孔周围壁面相对静压分布.结果表明:振动会削弱气膜冷却效果;在吹风比λ=1.0下,不同振幅、不同振动频率振动时绝热壁面的有效温比比稳态时小,且在x/D10时,2种情况下有效温比的差距更明显;同一振动下,在吹风比小于0.6,x/D5振动时绝热壁面的有效温比比稳态时大,在x/D5振动时的有效温比比稳态时小;在吹风比大于0.6振动时的有效温比始终比稳态时小;振动时气膜孔周围壁面相对静压会出现周期性变化.     

设置四面体斜坡对气膜冷却特性的影响

利用四面体斜坡抑制圆孔下游的CVP(反向旋转涡对),采用PLIF(平面激光诱导荧光)技术,在吹风比为0.5、1.0、1.5和2.0的情况下,针对四面体斜坡与圆形气膜孔的6种相对布置方式,实验研究并分析设置四面体斜坡后对气膜孔下游气膜冷却特性产生的影响。实验研究表明:相对于气膜孔,6种四面体斜坡模型都可以抑制CVP,提高气膜冷却效率;在6种四面体斜坡模型中,气膜孔上、下游同时放置逆风斜坡的组合模型可以取得最长的气膜长度和最高展向平均效率,当吹风比为0.5和2.0时,气膜孔出口下游x/d=3面上的展向平均效率分别是未设置四面体斜坡时的3.7和4.9倍。     

立式降膜闭式冷却塔设计程序研究

提出一种立式降膜闭式冷却塔的设计计算方法,按照此方法使用Visual Basic 6.0开发工具设计计算程序,并对程序流程进行详细说明。结果显示,该计算程序适用于立式扭曲管中不同工艺流体（冷却水、喷淋水和空气）进行换热的各种工况。通过对比程序计算和手工计算结果,发现二者吻合程度较好,因此通过计算程序能够提高开发人员的设计效率和准确性,减少迭代计算工作量,方便对不同设计方案结果进行比较。后续可以衍生出针对各种发生相变过程（制冷剂、水蒸气冷凝等）的热力计算。     

薄膜装置增上溴化锂制冷机组分析

为充分利用炼油装置低品位热源,2008年5月,洛阳石化新建两套低温热水系统,Ⅰ套供生产装置工艺使用,替代低压蒸汽;Ⅱ套供生活区和办公区,用做生活热水和冬季采暖。其中,Ⅱ套低温热水系统夏季尚有350t/h的热水富余,需要用循环水冷却至70℃以下再循环利用,存在能量利用不合理状况。薄膜装置现有2台螺杆式冷水机组,每台额定制冷量为1680kW,正常运行时制冷量约为额定制冷量的3/4,额定输入功率为350kW,所产冷冻水主要用于冷却电机齿轮箱、牵引辊等设备和降低厂房环境温度。经分析,可以在薄膜装置增上一台额定制冷量为1798kW的低温热水型溴化锂制冷机组,代替原环境空调用冷冻水机组,回收夏季富余的350t/h低温热水热量,生产出符合薄膜装置工艺要求的冷冻水。同时,就增上一台低温热水型溴化锂制冷机组后薄膜装置冷冻水系统运行方式进行可行性分析,并估算投资金额及经济效益。     

内冷通道特性对外表面气膜冷却换热影响研究

采用混合网格和realizable к-ε紊流模型,求解三维N-S方程,对气膜孔入口无横流、仅有横流和横流通道中有扰流肋的情况下,外表面气膜冷却换热特性进行了数值研究.具体分析了横流及肋的存在对气膜冷却外表面换热系数的影响.结果表明,横流及肋的存在使通道流场变得非常复杂,横流提高了外表面的换热系数,且使流动及换热呈现不对称特性分布;而扰流肋的存在减弱了横流对外表面的影响,换热系数相对于仅有横流时降低,且使外表面流动及换热的对称性有所改善.     

振动平板单孔气膜冷却实验研究

基于高温风洞实验台,采用红外热成像技术和机械振动机构对振动平板单孔气膜冷却特性进行了实验研究.测量吹风比在0.4~1.8范围内,静态以及振动状态下的气膜冷却效果,并分析了振幅(0~5mm)和频率(0~20Hz)等因素对气膜冷却效果的影响.结果表明:振动会削弱气膜冷却效果;与频率相比,振幅对气膜冷却效果的影响更大;随着吹风比的增大,同一振动对气膜冷却效果的影响变小;频率不同的振动对气膜冷却效果的影响相近,在X/D=5~10内,平均有效温比降低约3%;振幅不同的振动对气膜冷却效果的影响是相近的,在X/D=5~10内,平均有效温比降低约5%.     

基于参数化造型的气膜冷却优化方法

为了探究气膜冷却的优化设计方法,研究并搭建了气膜冷却优化设计平台。利用该优化设计平台能够实现气膜冷却结构的参数化设计、网格自动生成、自动CFD计算及后处理和自动优化寻优过程。同时在该优化平台下,利用试验设计(DOE)方法挑选出了对目标函数影响最大的几个变量。最后利用该优化平台,实现了对某型高压涡轮第一级导叶前缘气膜孔的单目标优化,优化后叶片综合平均冷却效率提高了18.8%,叶片前缘的平均温度降低了40 K。     

多参数影响下的气膜冷却特性及预测方法

气膜冷却是当代燃气轮机透平中重要的冷却手段,气膜冷却设计在透平设计中非常重要,而这就要求有快速、准确的气膜冷却预测方法。综述了国内外学者对不同孔型气膜冷却多参数影响机制的研究成果,比较了针对复杂气膜冷却系统的多种预测方法。发现经验公式法传统上应用广泛,但其精度受制于公式的适用范围;基于神经网络预测气膜冷却特性具有精度高、参数适用范围广的特点,采用CFD方法预测气膜冷却特性耗时较长,精度不高。结果表明神经网络法在工业应用上前景好,CFD法则需要对各向同性的湍流模型进行修正才能有效地开展气膜冷却机理研究。     

Optimization of a Cylindrical Film Cooling Hole using Surrogate Modeling

Optimization of a cylindrical film-cooling hole has been performed by surrogate modeling approach using three-dimensional Reynolds-averaged Navier-Stokes analysis. SST model has been employed as a turbulence closure model for the analysis of turbulent convective heat transfer. Spatially-averaged film-cooling effectiveness has been maximized for optimization. For two design variables, the ratio of length to the diameter of the hole and ejection angle, 12 experimental points are selected by Latin hypercube sampling. Performances of three basic surrogate models and three weighted average surrogate models have been evaluated. Among the surrogate models tested, the Kriging model predicts the optimum point with the highest objective function value calculated by Reynolds-averaged Navier-Stokes analysis, which gives a 3.6% improvement of the spatially-averaged film-cooling effectiveness in comparison to the reference geometry. The objective function is more sensitive to the ejection angle than the ratio of length to diameter of the hole.