基于涡轮导叶复合结构设计平台的叶片强度分析技术

基于开发的涡轮导叶复合冷却结构设计平台实现了对涡轮导叶强度的计算分析。设计平台包括参数化建模-网格剖分-叶片强度计算3个主要模块。在参数化建模模块中对复合冷却导叶中存在的结构形式(壁厚、隔板、劈缝、扰流柱、气膜孔、冲击孔以及缘板等结构)分别实现了精确的参数化描述,并最终生成冷却结构的固体域和流体域模型;在叶片强度计算模块中,基于网格剖分结果以及ANSYS-APDL的二次开发实现复合冷却结构导叶的强度分析。     

基于逆向工程的涡轮冷却叶片三维建模及数值模拟

针对典型涡轮冷却叶片,利用工业CT扫描、3D激光扫描、相关点云处理软件和三维建模软件,重构三维模型,进行高质量的网格划分,合理设置边界条件,对涡轮一级动叶进行气热耦合数值模拟分析。结果表明:该一级动叶叶身温度分布均匀,最高温度约935℃,低于材料可承受的温度,出现在前缘叶顶处,为涡轮叶片冷却结构的优化设计提供参考。     

某型燃气轮机高压涡轮动叶冷却结构设计研究

对某型燃气轮机高压涡轮动叶进行气热耦合数值模拟,分析了该叶片的温度场情况。叶片表面最高温度为1 210 K左右,平均冷却效果为0.425。为了解决该叶片前缘温度较高且存在较大的温度梯度,以及顶部叶冠的冷却需要消耗大量冷却空气的问题,对该叶片进行了去掉顶部叶冠、增加前缘气膜的改型设计。通过对改型叶片进行数值模拟,并根据结果进行优化,最终得到一个满足设计要求的冷却结构。优化后的涡轮叶片前缘温度降到1 150 K以下,平均冷却效果达到0.45,满足设计要求。     

基于流体网络法的透平叶片冷却内通道网络模型与分析

采用流体网络法研究分析了某E3发动机高压涡轮动叶的冷却结构,通过合理简化,并选用合适的元件模型,构建了冷却流路的流体网络;对高压涡轮流场进行了三维数值计算,确定了叶片冷却流路流体网络计算所需的边界条件;根据实验关联式,确定损失、传热等相关系数,并根据冷却结构特点自定义了部分特性曲线。将流体网络计算结果与NASA文献中的数据进行了比较,表明本文方法能较好地预测各流路的流量、温度、压力等参数,能够用于叶片冷却结构的性能分析以及叶片冷却结构的初步设计。     

舰船燃气轮机高压涡轮动叶多维热耦合设计方法

针对舰船燃气轮机复杂高效冷却叶片设计,基于压力修正算法建立冷却叶片一维管网设计方法;通过快速求解可压缩边界层微分方程获得叶片外换热边界,基于参数化的叶片网格生成方法,采用全隐式有限体积的固体导热求解方法,构建了冷却叶片的耦合传热模型,开发了耦合传热计算程序。对某高压涡轮动叶进行多维热耦合设计,确定冷却流路及冷气分布,通过三维气热耦合计算验证了设计方案的可行性,通过对比分析验证了多维热耦合设计方法对主要流通单元的流量、压力误差小于5%,具备较高的工程应用价值。     

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。     

船用燃气涡轮气内冷叶片的研制

本文扼要介绍为全工况船用燃气轮机设计的涡轮气内冷导叶、动叶的结构、冷却效果和材料的选择,以及这两种冷却叶片在试制中的经验、教训。最后介绍它们在装机试车的109个小时的各个阶段,对机组分解进行检查的结果。     

高温涡轮动叶冷却结构方案对比分析研究

采用自主开发的冷却结构设计分析方法,对某型涡轮第一级动叶内部冷却结构进行方案设计。分别以E3和YX两种成熟的航空发动机作为基准机型,重新设计并评估两类拓扑结构的优劣。在管网设计计算中,以E3为母型设计的冷却结构,第一腔流量为5.77g/s,第二腔流量为8.28g/s,叶片最高无量纲温度为0.759,平均无量纲温度为0.655,最大温度出现在叶片前缘约为70%叶高位置,不能满足设计要求;以YX为母型设计的冷却结构,第一腔流量为6.88g/s,第二腔流量为7.12g/s,叶片最高无量纲温度为0.717,平均无量纲温度为0.646,叶片表面温度基本满足设计要求。     

尾迹对气膜冷却影响的三维非定常数值模拟

采用数值计算的方法，对带有前导静叶的涡轮动叶气膜冷却进行三维非定常数值计算，研究了静叶非定常尾迹对动叶气膜孔周围流场及绝热冷却效率的影响，同时比较了在吹风比M=0．8和M=1．5时动叶表面气膜冷却效果的变化。结果表明，静叶尾迹使动叶压力面和吸力面上冷却气流的流场发生改变，降低了叶片表面的气膜冷却效果。另外，吹风比从0．8增大到1．5时，静叶非定常尾迹对动叶气膜冷却效果的影响降低。     

用于发电系统的局部进气跨声速涡轮气动设计和优化

为了解决高速机载涡轮发电系统效率较低的问题,通过一维计算和三维数值模拟相结合的方法,对以拉法尔喷管作为静叶、三维叶片作为动叶的局部进气跨声速涡轮级进行了研究。在对原型涡轮级流场分析后,通过ISIGHT优化软件集成NX,NUMECA和ANSYS等模块,采用多岛遗传算法,以喷管扩张角、扩张部分长度、周向排布角度以及动叶叶片进口几何角、出口几何角和轴向弦长作为优化变量对涡轮级进行了优化设计。最终得到给定设计工况下的最优几何参数。优化结果表明：优化得到的涡轮级功率达到了74 530 W,效率达到了79.60%,较原型提升了5.1%。     

The effect of start-up cycle in ceramic coating used as thermal barrier for a gas turbine bucket

The unsteady aerodynamic and aero-thermal performance of a first stage gas turbine bucket with thermal barrier coating (TBC) and internal cooling configuration were investigated by application of a three dimensional Navier–Stokes commercial turbomachinery oriented CFD-code. Convection and conduction were modeled for a super alloy blade with TBC.The CFD simulations were configured with a mesh domain including the nozzle and bucket interstage in order to accurately predict the fluid parameters at inlet and outlet of bucket. Comparisons to the gas turbine manufacturer data have permitted validation of the flow conditions at the inlet of the rotor.The effects of blade TBC surface temperature changes during a start-up cycle were simulated by means of an unsteady simulation, with unsteady inlet/outlet boundary conditions specified according to test data. The calculations include not only the fluid but also the solving of conduction within the blade, allowing for a correct modeling of the large difference of thermal inertia between the fluid and solid.The role of thermal barrier coatings (TBC) is, as their name suggests, to provide thermal insulation of the blade. A coating of about 100–400 μm can reduce the temperature by up to 200 °C. A TBC can be used either to reduce the need for blade cooling (by about 36%) increasing the turbine efficiency, while maintaining identical creep life of the substrate; or to increase considerably the creep life of the blade while maintaining level of blade cooling (and therefore allowing the blade to operate at a lower temperature for an identical turbine inlet temperature).     

贫预混低旋流燃烧器吹脱极限和流场的测量

贫预混低旋旋流燃烧是增强火焰稳定性和控制NOx排放的有效手段,旋流器安装角对于火焰稳定性和流场结构具有重要影响。对两个不同安装角的低旋流燃烧器吹脱极限和冷、热态流场进行了测量分析。结果表明,吹脱旋流数与当量比呈线性关系,旋流器安装角较大时燃烧器稳定火焰的能力受当量比的影响较大。发散角、回流区和湍动能均受旋流器安装角变化的影响。     

具有温度场的冷却叶片振动特性计算方法研究

根据稳态热传导的相关理论,建立了透平冷却叶片温度场和热应力场的四面体三维有限元分析模型和方法,并在此基础上建立了透平冷却叶片振动特性三维有限元分析方法,开发了相关计算软件。对某航空发动机透平高压第1级冷却叶片在不同工作条件下的振动特性进行了计算分析,同时研究了热应力、温度场、转速等对叶片振动特性的影响,表明本文中所建立模型和方法是科学、合理和精确的,为开展透平冷却叶片的设计和振动安全性评价奠定了基础。     

大型燃气轮机透平第一级静叶表面温度分布的计算方法

利用附加源项法计算叶片外表面换热系数及温度分布,编制叶片内部冷却计算程序及壁面导热程序,应用该程序计算了某大型燃气轮机第一级静叶表面温度分布,对燃气涡轮叶片先进的内外部冷却系统设计方法的消化吸收奠定了基础。     

燃气轮机叶片内部扰流肋冷却方式研究进展

随着燃气透平转子进口温度的不断提高,燃气轮机叶片冷却日益重要。带有扰流肋的内部通道冷却是叶片冷却的一个重要部分。综述了内部扰流肋冷却的研究历程与研究现状,详细论述了静止状态下带肋内部通道的换热研究、旋转对带肋通道内换热的影响研究以及扰流肋与其他方式相结合的复合冷却研究。结论指出,在国内外静止状态下带肋通道内的换热研究已经很成熟,旋转对通道内流动与换热的影响是最近几年来的研究热点,而关于旋转状态下复合冷却方式的研究相对较少。优化旋转状态下内部肋结构和将内部扰流肋与其他冷却方式相结合的研究是今后的发展方向。     

大型燃气轮机透平冷却空气量估算

大型燃气轮机透平冷却空气量一般难以直接获得。本文从燃机总体物质与能量平衡的角度,结合透平一级静叶的冷却模型,给出了一种估算大型燃气轮机冷却空气量的方法,并对GE公司系列燃气轮机和西门子公司V94．3燃气轮机冷却空气量进行了估算。结果表明采用本文的方法估算的燃气轮机透平冷却空气量是合理的。     

透平冷却空气量计算方法综述

燃气轮机效率提高的主要途径是提高透平进口温度。随着透平进口温度的不断提高,对冷却空气量的需求也逐渐增多,为保证透平安全可靠运行,透平冷却空气量的计算就显得尤为重要。本文对比了国内几篇文献中针对V94.3燃气轮机透平冷却空气量的估算方法,同时介绍了国内外其他研究人员利用流体网络法的研究成果。通过对比分析可知,采用叶片冷却模型以及从燃气轮机功率角度估测冷却空气量的方法适用于工程应用。流体网络法有严谨的理论支持,可针对空气系统具体部件进行计算分析。     

燃气涡轮叶片内部冷却结构的设计与实验

通过某型号涡轮气冷叶片的设计与验证,建立了一种简化的气冷叶片流热解耦设计模拟方法,结合对流冷却、冲击冷却的实验结果,通过调整冷气参数,达到控制叶片表面温度的要求.在平面叶栅热风洞中,通过调整尾流板角度,控制叶片表面流动状态,满足叶栅流动的周期性条件,保证了热测量的正确性.完成了气冷叶片的设计、分析与验证的系列工作,为今后研制气冷叶片建立了扎实基础.