燃气透平叶片前缘气膜冷却效率的试验研究

为了研究燃气透平叶片前缘气膜冷却的传热特性,建立了叶片可视化测试试验台,对叶片前缘区域的冷却效率进行了试验研究,分析了不同吹风比、不同主流雷诺数对叶片前缘区域冷却效率的影响.结果表明：气膜孔附近的冷却效率随吹风比的增大而提高,气膜孔下游的冷却效率随吹风比的增大而降低;冷却效率最高的区域在吸力面上,最低的气膜冷却效率在压力面上产生;低吹风比时主流雷诺数对叶片冷却效率的影响较小;但在高吹风比时,主流雷诺数对叶片前缘气膜孔附近的冷却效率影响较大.     

孔间距对燃气轮机动叶气膜冷却效果的影响

为了提高燃气轮机动叶的气膜冷却效果,采用Realizable k-ε湍流模型,并结合Simple算法和有限体积法对三维定常不可压缩N-S方程进行离散,在不同吹风比和主流湍流度条件下,分析了某重型燃气轮机孔间距对动叶气膜冷却效率的影响.结果表明:在一定条件下,随着孔间距的增大,冷却气体覆盖程度变差,冷却效率下降;受到叶片前缘孔排冷气的动量叠加,叶片后缘孔排气膜冷却效率明显高于前缘孔排气膜冷却效率;相同孔间距下,随着吹风比的增大,叶片综合冷却效率呈现升高的趋势;在其他条件一定的情况下,吹风比M=1.4时,主流湍流度越大,气膜冷却效率越低,但影响较小.     

燃气轮机叶片前缘气膜冷却的数值模拟

采用数值模拟方法,对燃气轮机叶片前缘气膜冷却问题进行了数值模拟研究。对比分析了在不同吹风比时,叶片吸力面气膜冷却效果的变化规律以及前缘表面不同位置冷却气膜孔排的下游曲率变化对冷却效果的影响。结果表明:不同冷却排孔的冷却效果向下游呈现出逐渐减弱的趋势,每排气膜孔减弱程度各不相同;当吹风比小于1. 0时,吸力面气膜冷却效果随着吹风比的增大而逐渐明显;当吹风比大于1. 0时,吸力面气膜冷却效果随着吹风比的增大而逐渐减弱。     

燃气轮机动叶缩放型气膜孔冷却效果的数值模拟

为了增强燃气轮机动叶气膜冷却效果,提出一种缩放型气膜孔结构。采用数值模拟的研究方法,模拟了当吹风比M=1.2、主流湍流度Tu=5%时,不同孔间距下分别带有圆柱型气膜孔和缩放型气膜孔叶片的气膜冷却效果。研究结果表明:无论是在叶片压力面还是吸力面,带有缩放型气膜孔叶片的气膜冷却效果总体要优于圆柱型气膜孔叶片;在圆柱型气膜孔和缩放型气膜孔叶片表面,覆盖的气膜整体朝向叶片偏转角流动,由于叶片受到前缘冷却的影响,叶片后缘位置的气膜冷却效率更高,整体呈现出偏转叠加效应,带缩放型气膜孔的叶片在后缘位置冷却优势更加明显;随着孔间距的减小,两种孔型叶片的平均气膜冷却效率都呈现递增趋势,冷却性能得到提高。     

吹风比与湍流度对涡轮叶片压力面气膜冷却影响的实验研究

为研究不同吹风比下主流湍流度对涡轮导叶气膜冷却的影响,采用可进行全表面换热特性参数测量的瞬态液晶传热测量技术,获得了叶片压力面侧圆柱形孔排气膜绝热有效度和表面传热系数比的全表面分布数据。结果表明:吹风比的变化对气膜绝热有效度影响显著,随着吹风比的增大,相同主流湍流度下的气膜绝热有效度明显下降,然而吹风比的增大仅对气膜孔附近区域的对流传热系数比有一定的提升作用;随着主流的湍流度增加,强化了主流和二次流的掺混,导致二次流温度快速接近主流温度,气膜射流在叶片压力面的覆盖范围变窄,绝热气膜有效度降低;由于高湍流度下的光滑叶片对流传热系数显著提高,造成对流传热系数比随着主流湍流度的增大而减小。     

透平叶片表面单排孔气膜冷却效率试验研究

采用稳态红外法试验测量了透平叶片压力面和吸力面气膜孔后冷却效率的分布,分析了吹风比对叶片表面不同位置处单排孔后气膜冷却效率的影响规律,结果发现:吸力面孔排1下游气膜冷却效率随吹风比的增加而降低;孔排2出口附近气膜冷却效率随吹风比的增加先增加后减小,远离孔下游区域的气膜冷却效率随吹风比的增加而增加。压力面孔排1出口附近气膜冷却效率随吹风比的增加而减小,远离孔下游区域的气膜冷却效率随吹风比的增加而增加;孔排2下游气膜冷却效率随吹风比的增加而增加。研究成果可为燃气轮机透平叶片气膜冷却结构设计和冷却空气流量的选取提供参考。     

旋转对涡轮叶片气膜冷却影响的数值模拟

采用数值模拟的方法对旋转涡轮叶片表面的气膜冷却效率进行了研究,同时对涡轮静叶栅和动叶片在不同的旋转速度下分别进行计算,分析不同转速、吹风比和冷却气流喷射角度对气膜冷却的影响.计算结果表明,旋转使压力面气膜冷却效率降低,转速越高,气膜冷却效率越低;在吸力面冷却孔下游附近区域,叶片旋转对气膜冷却效率的影响不大,但叶片旋转使离冷却孔较远处的吸力面冷却效率升高.同时,在旋转状态下,靠近叶顶区域的叶片表面气膜冷却效率升高.     

叶型表面曲率对离散孔气膜冷却性能的影响

由于型面曲率的影响,涡轮叶片前缘和吸力面的冷却气膜易于脱离型面,气膜冷却效果下降。本研究将叶片型线分段拟合,建立了多个单一曲率的曲面模型(R/D=-30、-75、120、∞),研究涡轮叶片表面曲率对于气膜冷却的影响。流动与传热的数值模拟采用Fluent软件,湍流模型选择RNGk-ε模型,模拟方法经平板流动进行的结果验证是可靠的。在不同吹风比(M=0.5、1.2、2.0)条件下,计算比较了不同曲率曲面上气膜单孔下游的壁面传热系数以及局部平均气膜冷却效率。结果表明:涡轮叶片型面曲率对气膜冷却效果的影响与吹风比有关。不同曲率的型线部分,应该设计采用不同的吹风比,气膜冷却效果可能取得最佳。低吹风比M<1时,凹面曲率对气膜换热系数是强化,凸面基本没有作用。高吹风比M>1时,曲率不影响换热能力,冷却效果则取决与气膜相对于型面的流动状态和与主流的掺混能力。     

NASA C3X叶片前缘气膜冷却的数值模拟

对NASA C3X叶片前缘部分建立了合理简化模型,在此基础上数值研究了流动参数和气膜孔斜角角度对前缘气膜绝热冷却效率的影响。结果表明:①在吹风比为0. 5～2. 5,不同吹风比下,以小吹风比的冷却效率较高,吹风比为0. 75时效率最高;主流雷诺数为100 000和200 000时,大雷诺数比小雷诺数下的冷却效率高;主、射流温度比不同时,冷却效率随温度比增大而增大;主流湍流度对冷却效率影响较小。②取射流孔斜角分别为30°、45°和60°,随着射流角度增加冷却效率降低。     

叶片前缘表面气膜冷却的实验研究

燃气轮机叶片前缘处有很多高换热区,其中叶片前缘表面处是最先与高温燃气接触的位置,存在承受较高的热负荷的问题,目前较为常见的解决办法是气膜加冲击冷却。通过实验对比不同吹风比、不同曲率位置气膜冷却排孔的温度分布,得出以下结论:冷却效果以出气孔为起点向下游不断减弱,并且在不同的排孔处,下游减弱的趋势不同;当吹风比M1时,吸力面气膜冷却有效度随吹风比的增加而逐渐增加;当吹风比M1时,气膜冷却有效度随吹风比的增加而减小;下游曲率的增加可以有效地增加气膜冷却效果。     

带前缘对吹孔涡轮导向叶片气膜冷却特性实验

为获得涡轮导向叶片气膜冷却特性,在叶栅风洞中运用红外热成像技术进行了带前缘对吹孔涡轮导向叶片的气膜冷却特性实验。叶片前缘布置5排复合角气膜孔形成对吹孔结构,其特点是叶片高度方向的上下两部分气膜孔径向角都偏向中截面。吸力面和压力面分别布置5排和16排圆形孔。测试的叶栅入口雷诺数为1.2×105,2.4×105和3.6×105,吹风比为1.0,1.5和2.0。实验结果表明：从前缘对吹孔出流的冷气向吸力面和压力面中截面聚集,导致中截面区域气膜覆盖效果增强;吹风比为1.0时,前缘和压力面中截面换热系数低;随吹风比增加中截面换热增强,压力面和吸力面高换热区域沿流向变长;雷诺数为1.2×105时,压力面气膜覆盖呈发散状;雷诺数为2.4×105和3.6×105时,压力面气膜覆盖宽度沿流向先变窄后变宽。     

叶片不同孔排位置异形孔气膜冷却改进对比试验研究

为了探究多种异形孔在叶片上不同位置对气膜冷却改进效果的影响,通过红外测温技术对圆柱孔、水滴孔、圆锥孔和燕尾孔的气膜冷却效率进行了试验研究。结果表明：与圆柱孔相比较,位于压力面尾缘处的水滴孔增加了气膜覆盖长度,减小了气膜冷却效率沿着流向的衰减,3种吹风比(1.0,1.5和2.0)下气膜冷却效率增幅为45%～78%;位于压力面前缘处的圆锥孔增加了气膜在展向的覆盖宽度,对气膜覆盖长度的改善并不理想,吹风比越大气膜冷却效率提升越大,3种吹风比下气膜冷却效率增幅为37.9%～96.4%;位于吸力面鳃区的燕尾孔对气膜冷却效率的改进效果最明显,吹风比增大气膜的覆盖长度增加,3种吹风比下气膜冷却效率增幅为102.2%～302.2%。     

旋转对复合角度气膜冷却叶片的数值模拟

采用Realizable k-ε紊流模型并结合SIMPLEC算法,对前缘复合角度α=30°、β=45°,α=90°、β=45°的动叶栅在不同旋转状速度下的气膜冷却效率进行计算。分析了不同转速、吹风比、叶片前缘射流角度对气膜冷却效率的影响。计算结果表明:旋转导致冷却射流向叶顶偏移,转速越高气膜冷却效率越低;高转速时叶盆区域有回流涡旋形成;高吹风比使得冷却射流在吸力面的贴壁性变差;比较两种前缘冷气喷射角度的计算结果可以看出,前缘冷却气流喷射角度较小时的气膜冷却效果较好。     

透平静叶表面多排孔气膜冷却特性试验研究

为研究燃气轮机透平静叶表面的气膜冷却特性,搭建了平面叶栅气膜冷却试验台,采用红外成像技术测量了带有多排扇形气膜孔的透平静叶表面气膜冷却有效度和传热系数,分析了不同吹风比下静叶压力面和吸力面不同孔排下游气膜冷却有效度和传热系数的分布规律.结果 表明:随着吹风比的增大,静叶压力面各排孔后气膜冷却有效度增大,静叶吸力面孔排1下游气膜冷却有效度减小,吸力面孔排2和吸力面孔排3下游气膜冷却有效度先增大后减小,吸力面孔排4下游气膜冷却有效度增大;大吹风比时,气膜出流使得静叶表面大部分区域展向平均传热系数相比无气膜时小幅增大.     

涡轮叶片前缘复合冷却换热性能的实验研究

本文使用由半圆柱前缘和平直尾部组成的钝物体来模拟涡轮叶片前缘,利用高温风洞实验测试平台,对前缘区域进行了内部射流冲击+外部气膜冷却的实验研究,通过红外热像仪测量了叶片表面的温度场分布,分析了气膜吹风比、前缘位置、主流雷诺数对冷却效率的影响规律。实验中吹风比的变化范围为0.24~1.67,主流雷诺数的变化范围为55 420~111 615。实验结果表明:冷却效率随吹风比的增大而增大,在本文实验参数范围内,最佳吹风比约为0.81;位置2处的冷却效率最高;随着主流雷诺数的增大冷却效率有所提高。     

涡轮叶片尾缘气膜冷却耦合传热的数值模拟

采用耦合方法对燃气轮机涡轮叶片尾缘气膜冷却流场进行数值模拟,并与绝热方法下的结果进行对比,得到不同吹风比和不同吸力面厚度下的气膜冷却规律。结果表明:与绝热方法相比,采用耦合方法时气膜冷却效率曲线更平缓,吸力面温度分布均匀,压力面尾部上方区域温度梯度较大;增大吹风比可以减弱吸力面导热对气膜冷却效率的影响,且能有效抑制流体与壁面的分离;随着吸力面厚度的增加,0.6～0.76等温度比线区域内流体温度发生变化,在劈缝出口下游温度升高,在下游的远距离处温度降低。     

涡轮单排气膜孔与前缘结状凸起耦合数值研究

气膜冷却作为涡轮的主要冷却方式之一,如何提高其冷却效率是当前研究重点.本研究在涡轮前缘构造结状凸起结构,采用源项技术模拟气膜孔,研究吹风比分别为1,3下,前缘结状凸起对单排气膜孔冷却效率的影响,详细分析温度以及涡量等参数.结果表明:单排气膜孔处于相同吹风比时,改型叶片并没有比原型叶片带来更好的改善效果;单排气膜孔吹风比呈交叉排列时,在波谷布置大吹风比的气膜孔,在波峰布置小吹风比气膜孔能够提高10％的冷却效率.其原因在于大吹风比下波谷处会形成反肾型涡,从而抵消肾型涡的影响.     

气膜孔堵塞对叶片吸力面气膜冷却的影响

为阐明热障涂层工艺造成的气膜孔堵塞对气膜冷却的影响机理,采用数值模拟方法研究了叶片吸力面在气膜孔堵塞比为0.2、0.5和0.8,吹风比为0.5、1.0、1.5和2.0时的气膜冷却效率变化.结果表明:堵塞比越大,气膜冷却效率下降幅度越明显,孔下游气膜覆盖面积越小;相比无堵塞情况,堵塞比为0.8时展向平均气膜冷却效率退化为51％～98％,堵塞比为0.5时展向平均气膜冷却效率退化为24％～86％,堵塞比为0.2时展向平均气膜冷却效率退化小于5％;中小堵塞比时气膜冷却效率受吹风比变化的影响明显,大堵塞比时气膜冷却效率受吹风比变化的影响较小;随着堵塞比的增大,孔内喉部区域冷气出流时动量增大,冷气射流得到抬升,使气膜贴附性大幅变差.     

孔间距对缩放槽缝孔气膜冷却效率的影响

基于有限体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为0.4、0.8和1.6的情况下,数值研究了孔间距(P/D=3.0、3.5、4.0)对缩放槽缝孔气膜冷却效率的影响,对不同孔间距气膜冷却整体效果进行了对比分析。结果表明:孔间距较小时,在孔口附近及孔间区域发生强烈的气膜干扰,冷却气膜分布比较集中,在孔口下游近处冷却效率较高;随着孔间距的增大,气膜覆盖面积增加,孔口附近的冷却效率低于小孔距,各个孔沿展向的冷却效率也有所降低,在孔下游远处发生的气膜干涉较为明显;在低吹风比时,孔间距较小气膜孔的冷却效果最好,在高吹风比时,孔间距较大气膜孔对壁面的冷却效果与低吹风比相比有大幅度的改善。     

姊妹孔与单入双出孔平板气膜冷却效率的数值模拟

采用Fluent分离隐式求解器进行稳态计算,在吹风比为0.5、1.0、1.5和2.0的情况下,采用Realizable k-ε湍流模型对圆柱孔、单入双出孔和姊妹孔平板气膜冷却进行数值模拟,讨论不同孔形平板主流方向和平板横向的冷却效率以及流场变化.结果表明:主流方向在近孔区域姊妹孔冷却效率高于单入双出孔,且随着吹风比的增大优势更加明显,但是由于射流贴附壁面较早,射流与主流掺混引起动量损失,到远孔区域以后,姊妹孔冷却效率稍微下降,低于单入双出孔;姊妹孔平板横向近孔区域的气膜层分布较均匀,单入双出孔远孔区域由于主孔与次孔射流速度差引起气膜层偏移,导致平板一侧冷却效果好,另一侧冷却效果欠佳;吹风比较小时单入双出孔冷却效果较佳,大吹风比下姊妹孔优势明显.