气冷涡轮叶栅流动及热应力特性的数值研究

采用CFX商用软件的不同湍流模型对NASA-MarkII高压燃气气冷涡轮叶栅进行气热耦合计算,着重分析了叶栅内部流动情况及传热特性.与实验结果比较,k-ω-SST-GammaTheta湍流模型计算结果与实验结果吻合较好.应用ANSYS11.0商用软件对气冷涡轮叶片气热耦合温度场结果进行热应力计算.结果表明,涡轮叶片温度场求解结果对叶片内部热应力分布具有显著影响.     

涡轮导向叶片热冲击双向耦合数值研究

航空发动机涡轮导向叶片热冲击过程是一个典型的固体变形场、温度场和流场三场耦合作用问题,工况复杂。基于流固热耦合理论,求解一维平板模型热弹性解析解;并进行数值模拟和对比分析,验证了双向耦合方法的有效性。应用建立的双向耦合方法对某涡轮导向叶片热冲击过程进行数值模拟,得到了涡轮导向叶片表面温度及热应力分布规律。研究表明,提出的双向耦合方法可以有效地预测涡轮导向叶片的温度及应力分布规律,计算温度与试验误差小于5%;应力集中处与试验中叶片破坏区域一致。研究对航空发动机涡轮叶片热冲击过程数值模拟提供了有效方法。     

径流式涡轮三维温度场分析

高温径流涡轮承受很高的热应力,新一代的陶瓷涡轮由于燃气初温高,以及材料固有的热脆性,使温度场、热应力的研究在陶瓷涡轮的设计中更占有重要的地位。本文用三维有限元法分析了陶瓷和金属材料的径流涡轮温度场。为了确定热传导边界条件,作者用准正交面流线曲率法确定势流流场,接着用边界层能量积分方程计算了叶轮壁面的放热系数,从而建立了一个从径流涡轮流动计算到温度场分析的软件包。计算结果表明,温度梯度的最大值出现在近叶片根部。此外,气流出口处的轮毂部分温度梯度也较大。这些地方将是应力集中区。     

铸件凝固三维温度场的计算机模拟

本文在论述采用隐式方法进行铸件凝固进程数值模拟的基础上,编制了铸件凝固温度场三维数值模拟计算程序。通过理论计算和实测结果的比较,得出三维数值模拟计算具有较好的精确度。三维模拟计算与二维模拟计算的结果相比较说明,开发三维凝固温度场解析程序是十分必要的。最后,本文提出了在前人基础上继续探索更实用数值方法的重要性。同时指出热应力场的数值模拟是今后研究的发展方向。     

基于圆柱面的高负荷叶型设计方法研究

与平面相比,圆柱面能更好地近似涡轮通道内流体流动的路径.因在圆柱面上定义、修改叶型的需要,发展了一种新的三维叶型设计方法.同时探讨了不同于传统二维平面叶栅流场计算方法的三维曲面叶栅流场计算方法.设计与数值模拟结果表明,该方法能快速、高效、可靠地设计出理想的叶型.     

涡轮叶片最小冷气需求量的一种估算方法

通过涡轮叶片内外表面对流换热与固体导热的耦合计算,建立叶片冷气流量与叶片壁面温度分布之间的关系,从而获得涡轮叶片最小冷气需求量。首先根据假定冷气流量进行耦合计算叶片温度分布,并从中获得叶片温度峰值;再依据这一温度峰值,逐步调整冷气进口流量,直到叶片温度场符合设计要求。计算得出叶片最小冷气量为燃气总量的4.43%,叶片最高温度为1 299.11K。结果表明采用本文的方法估算的燃气涡轮叶片的冷却空气量是合理的。     

在不均匀受热的情况下涡轮叶片的叶型弯角对其温度情况和热应力状态的影响

本文对在不稳定的温度制度下涡轮叶片的叶型弯角对其温度情况和热应力状态的影响进行了评述，表明：当不均匀受热时，弯角对叶型上的温度分布和温度水平存在不重要的影响，但是，由于内部关系在叶片的边缘上热应力的程度变化很明显。显示出当由于不均匀受热外部关系限制到它们的热弯曲时，在涡轮导向器叶片和工作叶片上产生高强度热应力的可能性与弯角的值无关。     

带分流叶片向心涡轮内部流场分析

为了详细研究某型向心涡轮的流动特性和内部流场结构,采用准三维与全三维数值模拟方法对其内部流场进行研究,分别得到多个转速下的特性曲线与主要参数分布,对两种数值模拟方法得到的特性线进行对比,并对设计点的全三维数值模拟得到的流场进行分析。计算结果表明,准三维与全三维数值模拟计算得到的特性线基本相同,计算特性线时可以采用准三维方法,减少计算时间。通过对全三维数值模拟的流场特征的分析,初步了解了向心涡轮内部的流动规律,在设计点叶片前缘和尾缘附近有不同程度的气流损失存在,为进一步改进该向心涡轮设计有一定的参考价值。     

涡轮叶片热疲劳分析

针对涡轮叶片工作产生的热疲劳破坏问题,利用Solidworks三维建模软件建立叶片CAD模型,运用ANSYS有限元软件workbench模块对其进行300℃~600℃温度梯度工况下的热疲劳分析,分析得到涡轮叶片温度场和热应力分布云图,确定了涡轮叶片危险部位及应力分布情况,进而对涡轮叶片进行疲劳寿命预测,研究结果对提高涡轮叶片可靠性提供借鉴与参考。     

直管套管内超临界二氧化碳热力性能研究

为了解决气冷器内不可逆损失对换热性能的影响问题,提高直管套管式气冷器的热力性能,对超临界二氧化碳套管式气冷器内二氧化碳与冷却水之间的热量传递过程进行了研究。采用Fluent数值模拟软件与熵产分析方法,通过改变操作压力、二氧化碳质量流量及冷却水的质量流量和进口温度进行数值计算,得出气冷器中二氧化碳和冷却水沿管长的温度分布情况,并依据热力学第二定律熵产分析方法,对直管套管内热力过程进行计算,得出沿管长的熵产分布情况。结果表明,随着压力的增加,沿管长方向的熵产逐渐增大;随着二氧化碳质量流量的增加,熵产逐渐减小;随着冷却水质量流量的增加,熵产增加幅度不明显;随着冷却水进口温度的增加,熵产随之减小。研究结果可为二氧化碳热泵气冷器运行参数与结构的设计以及二氧化碳热泵的工程应用提供一定的参考。     

43″汽轮机叶片材料热变形行为及制坯工艺参数优化

针对制造高质量叶片锻件的材料热变形问题,采用热模拟试验及数据回归拟合的方法建立了某43"汽轮机叶片材料的高温流变应力方程.采用所建立的方程,使用软件DEFORM3D对叶片锻造过程进行了数值模拟和正交试验分析.应力方程计算结果表明,所用材料在高温压缩下的流变应力符合双曲正弦函数关系.试验分析结果表明,凸台直径对叶片锻造质量的影响最为显著,叶根过渡处圆角与摆料位置的影响其次,叶冠过渡处圆角的影响最小,据此对锻造工艺参数进行了优化.生产实践表明:采用优化后的参数可降低载荷,使尺寸公差保持在3mm之内,从而提高了产品质量,减小了材料成本,降低了锻造次数,提高了材料利用率和生产效率,这对叶片材料及模锻件的国产化具有重要意义.     

壁面局部振动的二维管内流动分析

通过求解二维雷诺时均Navier-Stokes方程,对壁面局部振动的二维管内流场进行数值模拟,分析边界条件在不可压缩计算及可压缩计算情况下对壁面局部振动流动状态的不同影响.研究表明,在不可压缩计算情况下,总压入口条件相对于速度、质量流量入口条件限制少,壁面振动可同时影响振动壁面上、下游的流动参数.在壁面振动管道内,尽管马赫数Ma0.3,可压缩流体的流动现象是完全不同于不可压缩流体的.边界条件对于高频振动计算结果的影响比低频振动计算结果的小.因此,在模拟燃气轮机小幅高频振动叶栅的实际工程问题中,必须采用可压缩计算.在相对平缓、充分的入口段条件下,仍然可以采用常规模拟叶片绕流时的速度入口边界条件进行计算.     

叶片数对SCPPVC空气涡轮机气动性能影响的试验研究

立式集热板太阳能热气流发电系统(SCPPVC)空气涡轮机叶片数与其气动性能密切相关,利用Wilson设计方法,对该系统涡轮机叶片进行了初步设计,利用3D打印技术完成了叶片制样,简介了风洞方法。据此,试验研究了叶片数对SCPPVC系统空气涡轮机气动性能的影响。结果表明:以功率和风能利用系数为指标,涡轮机最佳叶片数以7片为宜;涡轮机输出功率与入口风速增加呈指数变化趋势,与涡轮机前后压差增大呈近似成线性关系。     

MW级复合材料风电叶片的振动特性与应力分布

针对目前风电叶片有限元模型存在铺层不合理的问题,以某1.5 MW风电叶片为研究对象,利用Solidworks软件生成叶片三维模型;再将其导入大型有限元软件Abaqus中,按照叶片铺层理论进行分区域铺层,生成叶片有限元模型,使其更接近叶片的真实铺层状况;在有限元数值计算中,分析了叶片的振动特性以及在50 m/s的极限风速下的应力分布特征.结果表明,叶片模型在模态、强度、刚度三个方面均满足设计要求,叶片的危险截面位于距叶尖约13处,应力主要分布于叶片展向的13~23处,且主要承载结构为主梁和腹板.     

榫连接结构叶片盘振动特性研究及验证

针对航空发动机榫连接结构叶片盘振动特性分析时,采用一体化处理建模方法导致计算精度降低的问题,开展了榫连接结构叶片盘振动特性研究.提出了一种考虑榫连接刚度的叶片盘建模方法,以燃气涡轮叶片盘对象,采用上述方法完成了考虑榫连接刚度的燃气涡轮叶片盘建模,在此基础上进行了叶片盘振动分析并开展了动应力试验验证.结果表明:采用考虑榫连接刚度的叶片盘模型得到的叶片共振转速计算精度在6％以内,相比于榫连接结构一体化的叶片盘模型,得到的共振转速计算精度提高50％.研究工作可为航空发动机叶片盘振动设计提供指导.     

汽轮机叶片三维有限元应力分析系统

介绍了汽轮机叶片三维有限元应力分析系统，它具备完善的前、后处理和计算分析功能．采用三维八节点非协调单元进行计算，这种单元对于汽流力等弯曲载荷具有比三维八节点协调单元更高的精确度．分析系统具有易用、精确、直观的特点．对一个真实叶片进行了计算，给出了分析结果     

燃料热值变化对9FA燃气轮机涡轮流场的影响

对GE公司9FA机型地面燃气轮机进行了准三维计算,分析了燃料热值不同对于涡轮流场产生的影响,对比了各种损失在总损失中的比例,能量损失系数沿叶高的分布,并对二次流损失进行了分析.通过分析得出,燃料热值变化导致了流量变化,继而导致了涡轮部分的气动性能发生变化,能量损失也发生了变化.对于能量损失沿叶高分布影响最大的是二次流损失,其他损失沿叶高分布相对比较平均.     

降低燃机进气温度对燃气轮机出力的影响

众所月知,燃气轮机是一种以空气为工质、内燃,连续回转的、叶轮式热能动力机械。提高燃气轮机的出力和热效卒有两种方法,一种方法是提高燃烧初温,另一种方法是降低燃机进气温度。对于提高燃烧初温,关键取决于提高一、二级动静叶片的耐高温性能,而对于降低燃机进气温度的方法则不受耐热金属材料技术发展的限制,对于任何型号的嫉机均适用。本文着重叙述的是燃机进气温度对燃气轮机出力的影响。