燃气轮机透平叶栅流道内液体射流特性

为研究液体在透平叶栅流道内雾化特性,在直流道和折转角分别为30°、60°的叶栅流道内进行了液体横向射流雾化试验,试验来流速度为56~91m/s,喷嘴压差为50~400kPa,采用喷油杆结构布置在叶片前缘喷射燃料,用Fraunhofer衍射技术测量液滴雾化细度,用CCD相机记录流道内液滴射流轨迹。研究发现:透平叶栅流道内液滴轨迹同时受液气动量比、叶片折转角度的影响,在叶片前缘向吸力面侧喷和逆喷时的雾化效果优于直流道内横向侧喷。喷嘴压差大于400 kPa时,向叶片吸力面侧喷的液滴索泰尔平均直径小于30μm,雾化粒径可满足燃气轮机燃烧室的要求。     

遗传算法在透平叶栅多目标优化设计中的应用

在透平叶栅气动热力学计算基础上,并以透平叶栅的能量损失系数和做功能力为目标函数,引入了带有变加权系统的、鲁棒性极强的遗传算法进行叶栅的多目标优化设计。文中给出了基于遗传算法的多目标优化设计方法的机理和具体步骤,介绍了透平叶栅多目标优化设计的数学模型,并对一个典型的跨音速叶栅进行了多目标优化和分析。优化结果表明,此方法的应用能够捕获一组非受控解,这一点不仅充分体现出多目标优化设计的思想,而且说明了此     

超音速透平叶栅造型设计及分析

采用非均匀有理B样条(NURBS)技术和特征线成型技术,对超音速透平叶栅型线设计方法进行了研究,利用C++语言和MFC编程技术开发了设计软件;利用所开发软件进行了某参数下的超音速叶栅设计,并结合计算流体动力学(CFD)技术,进行了超音速叶栅的变工况性能分析。研究结果表明:开发的软件能够有效地应用于超音速透平叶栅的型线设计,对汽轮机低压末级叶片的型线设计开发具有一定的工程应用价值。     

燃气透平进口热斑迁移及其影响机制研究进展

燃气轮机燃烧室出口燃气温度场分布严重不均匀,其中燃气流的高温核心即热斑会加剧燃气透平内部非定常流动和传热的复杂性,引起叶栅的局部过热甚至烧蚀,从而降低透平的可靠性和寿命。研究并揭示热斑迁移机制对于透平叶栅高效冷却技术及非定常气动优化设计方法的发展至关重要。文中综述了燃气透平进口热斑迁移及其影响机制的研究现状及进展,着重介绍了燃烧室特性参数、叶型结构和冷气对热斑迁移的影响规律。有关热斑现象的研究虽然取得一定进展,但尚需要更深入的试验和数值研究,文中指出:目前试验和数值研究中广泛采用的圆形热斑与实际情况差异较大,需要在燃烧室真实出口温度场下实现透平非定常流场和传热的精确测量;关于燃烧室特性参数对热斑迁移影响的研究未考虑湍流强度和旋流等流场特征的影响且缺乏试验数据;叶型结构对热斑迁移影响的研究才刚刚开始,需要对热斑与叶排间的"时序效应"及其对叶栅热负荷和透平整体性能的影响机制开展深入的试验研究;最后,还需要对冷却气流与热斑干涉作用及其引起的透平非定常气热性能的变化进行试验和数值研究,从而为透平的高效冷却和气动传热优化设计奠定理论基础。     

涡轮叶栅流场的PIV测量实例

详细介绍了PIV的工作原理、数据处理流程和使用要点。针对涡轮内部复杂的流动特性,应用具有较高空间分辨率的非接触式瞬态速度的PIV测量技术,获得了较清晰完整的沿叶高平面和叶栅出口速度场的瞬时速度场信息,并据此分析了涡轮静叶出口二次流的流动特性。叶栅实验中将模拟动叶的圆柱列每次沿周向方向移动1/4节距,测量沿叶高平面的速度场。研究发现,前排圆柱尾迹进入叶栅流道不同,对叶栅内部流场气动效率影响巨大;同时由压力面向吸力面运动的二次涡(低能流体,耗能过程)逐渐向后传递、扩张,并在吸力面卷起、堆积,使吸力面附面层骤然增厚,并引起沿叶高总压损失系数和沿叶高出口气流角的剧烈变化。     

可控涡设计高负荷涡轮二次流旋涡结构及损失分析

采用雷诺平均Navier-Stokes方程和Spalart-Allmaras湍流模型,对可控涡设计的1.5级高负荷亚音速试验涡轮进行三维黏性数值模拟,对叶栅内旋涡发展和损失机制进行全面研究和分析。数值研究表明,在高负荷涡轮动叶栅内,马蹄涡吸力面分支到达吸力面之后并没有消失,而是和压力面分支相交,并一起向下游发展,其位置始终处于压力面分支下侧,紧贴吸力面端部附近,并没有发生相互缠绕作用。受动叶栅通道内强横向压力梯度作用,端壁附面层从压力面侧直接被推向了吸力面侧,所形成的通道涡没有发生强烈的旋涡运动,位置始终限制在叶栅吸力面端壁附近的狭长区域内,呈片状涡结构。低能流体继续向吸力面角隅内运动和堆积,并向展向扩展,与主流发生强烈的掺混作用,损失急剧增加。因此,提高高负荷涡轮级效率的关键在于提高动叶性能。     

雷诺数对低压涡轮气动性能的影响分析

为了深入掌握雷诺数对低压涡轮端区流动的影响,采用Transition SST转捩模型,对雷诺数为0.6×10~5～3.0×10~54种工况下的低压涡轮流场进行数值模拟。结果表明,采取的数值模拟方法能较准确的描述低压涡轮内部流动,在低雷诺数条件下,吸力面后部附面层易发生分离,且分离泡尺寸较大。随雷诺数的降低,叶栅出口截面的总压损失逐渐增加,损失平均值及高损失区面积的增加幅度均呈现非线性增长趋势。吸力面后部附面层分离区是低能流体聚集区,是流道内总压损失迅速上升的主要原因。通道涡流出流道后继续发展,与尾迹旋涡共同构成了叶栅下游区域损失持续增长的主要来源。     

TJZ-1静叶叶型优化设计及试验研究

原TJZ-1叶型在吸力面的局部区域存在压力突跳,通过CFD计算优化,使TJZ-1优化叶型在对应的叶型修型区中的压力波动比原始叶型减弱许多,并经平面叶栅和环形叶栅试验表明,优化后的TJZ-1叶栅气动性能良好,同引进叶栅的气动性能处于同一水平.图12表1     

缩放叶栅内高速凝结流动特性的数值研究

对汽轮机缩放叶栅内高速凝结流动进行初步的数值研究。气液两相采用NS方程求解,自发凝结液相凝结过程应用多阶复合参数积分方法求解。采用密度梯度等值图作为数值纹影图,显示了激波系和尾迹涡流的分布与强度。模拟得到了过热蒸汽流动和自发凝结流动中压力、马赫数、激波系流线分布情况以及叶栅的气动参数。分析了凝结过程对流动的影响,数值结果表明:汽轮机缩放叶栅中的凝结过程会使尾缘附近吸力面的边界层分离,增加尾迹流的紊乱程度,改变了叶栅的出口气流角,使流场恶化,对通流能力和做功能力均造成影响。     

具有阻尼拉金和叶顶间隙的汽轮机末级复杂三维流动特性

为获得具有阻尼拉金和叶项间隙的叶栅通道内复杂流动的详细状况,采用重整化群湍流模型(RNG k-ε)、壁面函数法、结构化网格,混合平面法建立了三维黏性流动数值模型,基于该模型分析了某汽轮机末级的流动状况.结果表明:阻尼拉金附近沿叶片展向动叶表面静压、通道内流线分布均发生了显著变化,其中吸力面受到的影响更为显著.在叶项和动叶吸力面上都发生了流动分离现象,表明该处存在分离涡和泄漏涡;同时,由于叶顶间隙的存在,动叶接近叶顶处压力面静压降低,甚至出现低于吸力面的情况,此外考虑阻尼拉金以及考虑阻尼拉金和叶顶间隙的汽轮机末级等熵效率与无阻尼拉金相比分别降低了0.39%和1.23%,表明泄漏损失在以上两种损失中占主要部分.