具有新型双层壁结构的透平叶片流热耦合研究

多通道壁面射流冷却结构是一种新型的燃气透平动叶内部冷却结构，具有消耗冷气少、压力损失小等优点。本文构建了简化的壁面射流冷却叶片与GE-E3冷却结构叶片模型，采用流热耦合方法对比研究了其流动与换热特性。结果表明，壁面射流冷却通道内的狭小空间抑制了横流的产生，冷气在冷却通道中形成了流向涡；前缘冷气流道中的大量冷气流经吸力侧冷却区，并从出口压力更小、面积更大的尾缘排出，使得前缘气膜孔出流的冷气流量和动量较小，冷气在叶片外表面的气膜覆盖特性更好；离心力的影响导致前缘冷气流道中叶根处的压力较低，叶根附近的气膜孔出现燃气主流入侵现象。相比于GE-E3叶片，壁面射流冷却叶片的前缘温度和温度梯度都较小，因此多通道壁面射流冷却在前缘具有更优异的冷却特性。     

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。     

旋转状态下燃气涡轮叶片内部冷却的研究进展

在现代高性能燃气涡轮发动机中,随着涡轮前燃气温度的不断提高,旋转涡轮叶片的冷却问题日益受到重视。在众多的冷却技术中,内部冷却具有明显的优势和较强的应用前景。综述了近年来旋转状态下燃气涡轮叶片内部冷却技术的研究成果,总结了光滑壁面旋转对流场和传热的影响、旋转对冲击冷却影响以及旋转扰流式肋片冷却介质通道传热的研究现状,阐述了旋转状态下内部冷却和气膜冷却相互影响的研究情况。最后指出进一步优化内流通道结构,研究旋转对扰流柱通道流动及换热的影响以及在旋转状态下深入探讨内部流动与外部气膜冷却相互影响的机理是今后工作的重点。     

燃气透平叶片3种出气边冷却结构中流动与传热性能的比较

本研究通过流热耦合计算和实验验证,比较了圆柱排孔与两种劈缝的出气边冷却结构,在不同雷诺数和冷气质量流率下的流动与传热性能。结果表明:圆柱排孔流阻偏高,受供气压力限制,冷气流量不足,冷却效果下降,造成出气边烧蚀。叶片出气边压力面开设劈缝结构降低流阻,提高了冷气流量。劈缝内采用弦向肋和扰流柱结构强化换热,提高冷却效果。在相同冷气流量下,劈缝结构所需的流动压差明显下降,叶栅叶片的尾迹宽度也减小,对降低下游叶栅的流动损失和表面传热是有利的。     

太阳能热气机铸造机身水流道优化设计和试验分析

通过热气机机身内部冷却水流动换热的数值模拟计算,对不同结构的机身流道进行了比较分析和优化设计,并结合缸套壁面的结构改进,在采用"一进一出"流道结构和冷却水总流量不变的前提下,使热气机冷却器和缸套均匀冷却,同时降低了缸套内壁温度,从而达到了保护密封环的目的。     

基于流热耦合的燃气轮机透平叶顶冷却设计

燃气轮机透平叶顶区域存在复杂的流动和换热问题,承受很高的热负荷。为了降低透平动叶叶顶温度,在透平叶顶现有结构的基础上提出气膜冷却和气膜+内冷通道冷却两种叶顶冷却方案,并通过流热耦合计算分析冷却升级前后叶顶区域的换热和流动特性。研究发现：叶顶气膜冷却方案可有效降低叶顶温度,特别是叶顶前缘至中弦区域;而气膜＋内冷通道冷却方案基于外部气膜冷却,结合内部冷却通道设计,可进一步降低叶顶尾缘的温度;与原型叶片相比,气膜+内部冷气通道的复合冷却设计可以使叶顶尾缘最高温度降低24 K。     

低稠度涡轮导向叶片端壁高效气膜冷却特性研究

采用低稠度涡轮导向叶片设计方案，可减少导向叶片的用量，减轻涡轮重量，降低发动机冷气用量及耗油率，但同时也带来导向叶片端壁冷却负荷增大等问题。依据低稠度涡轮导向叶片端壁的结构与流动换热特点，制定了槽缝和气膜孔共同冷却的方案。通过数值模拟和分析，重点研究了低稠度涡轮导向叶片端壁前缘气膜孔在不同方向角、孔数、孔径以及叶栅通道中气膜孔布置等条件下的流动及冷却特性。研究结果表明：对低稠度涡轮导向叶片端壁前缘气膜孔进行优化设计，可以有效克服导向叶片端壁前缘高强度马蹄涡对于气膜冷却效果的不良影响；在叶栅通道内合理设置气膜孔，可以改善通道内复杂涡旋对端壁气膜的卷吸作用，提高气膜冷却效果；当槽缝和气膜孔中的冷气流量比分别为3%和2%、气膜孔方向角为45°、气膜孔直径为1.25 mm、叶片前缘和叶栅通道气膜孔数分别为8和1时，叶片端壁表面被冷气膜全部覆盖，此时端壁面平均气膜冷却效率相对最高，达到53.7%。     

应用管网算法校验MarkⅡ冷却结构的改型设计

应用自行开发的管网算法,数值模拟了MarkⅡ叶栅原型,将计算结果与实验数据进行了比较,验证了算法的可靠性。为了验证算法的工程实用性,数值模拟了MarkⅡ的改型叶栅,证实通过冷却通道的突扩突缩,能够提高冷气的湍流度,从而强化冷气与叶片壁面的换热,有效地降低叶片的壁面温度。原型和改型的数值结果表明,管网算法物理意义明确、简单可靠,能快速定性确定设计的可行性。     

燃气轮机透平叶片传热和冷却研究：内部冷却

随着燃气轮机透平进口温度的不断提高,其换热与冷却问题已然成为现代高性能燃气轮机研发中亟待解决的核心关键技术之一.透平叶片的冷却可以分为内部冷却和外部冷却,结合作者近年的研究工作,详细综述了燃气轮机透平叶片内部换热与冷却问题的研究现状与进展,着重介绍了叶片内部蛇形通道冷却、叶片内部冲击冷却和前缘的旋流冷却及尾缘柱肋冷却,指出了它们各自在相关方面需要进一步开展的工作.其中：在蛇形通道冷却方面,需要进一步研究旋转状态下蛇形通道内流动与换热特性、发展高性能的扰流装置及通道弯头结构、设计新颖高效的叶顶内部冷却结构、获得带气膜孔或冲击孔的蛇形通道内的换热与冷却特性;在叶片前缘内部冲击冷却方面,需要研究不同曲率面上的冲击冷却换热特性、旋转条件下的冲击冷却以及冲击气膜复合冷却特性;在旋流冷却方面,需要对其结构参数的影响开展进一步的广泛研究,并开展旋转状态下旋流冷却特性的研究;在尾缘柱肋冷却方面,需要进一步研究复杂流场下柱肋阵列通道中的流动换热与众敏感因子之间的关系.     

25kW热气机机身冷却水流道优化设计和分析

采用FLUENT软件对25kW热气机机身内部的换热情况进行数值模拟计算,通过对计算结果的分析,对冷却水流道的结构进行了优化设计。模拟计算和试验结果表明:结合缸套壁面的结构优化设计,在采用一进一出流道结构的前提下,达到了使冷却器和缸套均匀冷却和降低缸套内壁温度的目的。     

内部结构对空冷叶片换热性能的影响

为了深入了解空冷透平动叶的冷却机理和冷气流动特性,时某型燃气轮机透平动叶进行了气-热耦合数值模拟.结果表明,叶片端部气膜孔可以促进冷气在蛇形通道中的流动,改善冷却效果;涡流矩阵通道中子通道的宽度与高度比减小会加大涡流矩阵通道中的流动阻力,冷气在涡流矩阵通道中能得到更充分的利用,而对尾缘的冷却能力会下降,致使尾缘温度升高,因此其高宽比与冷气进口条件存在一个最佳组合关系;涡流矩阵通道结构与叶尖之间的间隙会降低冷气的利用率.     

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.     

大型船用柴油机活塞多腔振荡冷却的强化机制

活塞是内燃机中热负荷和机械负荷最大的零部件之一,为了确保内燃机活塞的可靠性和寿命,大型船用柴油机往往采用振荡强化传热的方式进行活塞的冷却.为了理解振荡冷却的强化机制,首先进行了活塞冷却油腔壁面对流换热系数的分析,分解出常规流动换热分量、振荡强化换热分量和射流冲刷换热分量,并具体分析了振荡强化换热分量、射流冲刷换热分量和常规流动换热分量的分布特征.随后,基于正交设计方法,研究了活塞振荡腔不同结构参数对活塞内、外冷却油腔填充率和壁面对流换热系数的影响规律,为后续的活塞振荡冷却能力优化提供了方向.最后,针对原型活塞中内冷却油腔冷却能力不够的问题,进行了活塞振荡腔结构的优化.     

燃气透平第一级叶片燃气侧的流动与换热特性研究

对某重型燃气轮机透平第一级叶栅通道内无气膜冷却下的三维黏性流动与传热特性进行了数值模拟,对比了不同来流湍流度对叶片燃气侧流动与换热特性的影响,分析了静叶非定常尾迹对动叶换热特性的影响.结果表明:来流湍流度对静叶表面的换热特性有明显的影响,但对动叶表面换热特性的影响很小;静叶尾迹对动叶表面的换热特性影响较大.     

开槽圆柱孔气膜冷却流场的大涡模拟

采用大涡模拟的方法对开槽圆柱孔横向紊动射流流动进行数值模拟分析,并探讨在相同工况下,与圆柱孔附近壁面区流场、涡系结构以及传热特性进行比较,从而揭示其流动机理。计算结果表明:圆柱孔开槽之后主流和射流更加剧烈掺混,反向漩涡对被扭转,从而紊乱,使冷气无法抬升,所以提高了冷却效率;由于开槽的作用,冷气在槽内进行充分扩散,相比圆柱孔使轴向冷却范围更大;根据涡量等值线的分析,由于K-H稳定性会改变主流和二次流的交界面的速度方向和大小,进而影响反向漩涡对的形成。     

燃气透平叶片尾缘内部冷却通道流动与换热特性研究

针对更为接近于真实叶片尾缘段的楔形内部冷却通道的流动与换热特性开展了数值研究,分析了不同冷却工质应用在楔形冷却通道中的性能表现以及不同扰流柱结构、柱肋组合冷却结构对尾缘内部冷却通道中的热力特性的影响.研究表明:区别于矩形内部冷却通道,楔形通道中壁面传热系数沿流动方向呈现逐渐升高的趋势;冷却工质对换热性能影响明显,蒸汽的...     

粗糙圆管内超临界航空煤油湍流换热特性分析

给出了国产航空煤油RP-3的三组分热物性替代燃料模型。采用k-ε湍流模型结合增强壁面处理的方法对超临界压力下航空煤油RP-3在圆形粗糙冷却通道中的流动与换热过程进行数值研究。分析了粗糙元形状、高度以及间高比等因素对其超临界流动和传热特性的影响规律,探究了人为粗糙度强化超临界航空煤油换热的机理。结果表明,人为设置粗糙元能使壁面附近产生局部回流区和旋涡结构,强化煤油与受热壁面间的对流换热。通过合理布置粗糙元结构,能大幅降低圆形冷却通道的壁面温度,有效抑制航空煤油的超临界传热恶化现象的发生。     

汽轮机末级旋转不稳定性研究

基于汽轮机低压末级流动的非稳态数值计算结果,研究了低质量流量下低压末级流道发生的旋转不稳定现象。为了更好地了解在低流量下汽轮机运行的旋转不稳定性,采用低压末级整圈动静叶流道耦合排汽缸进行非稳态数值计算。发现末级动叶已经处于压气机状态并且流动的周向均匀性被破坏,以及在叶顶间隙泄漏流与主流的挤压下形成的泄漏涡撞击到毗邻叶片吸力面并发生溢出、形成二次泄漏流等情况。泄漏涡进一步影响叶片间叶顶前缘的压差分布,以长波的性质形成旋转不稳定。频谱分析捕捉到了旋转不稳定在绝对与相对坐标系下的旋转频率以及周向扰动个数。     

非设计工况下涡轮叶栅前缘壁角的作用

透平叶栅端区二次流具有复杂的涡系结构。Langston实验描述了两支马蹄涡和通道涡的演变和发展过程。基于Langston叶型构造出有效的前缘壁角,建立涡轮叶栅带有前缘壁角的端壁流动计算模型,分析前缘壁角对端壁流动与传热特性的影响,并评估其在非设计条件下的适应性。结果表明:在一定的非设计工况范围内,前缘壁角削弱了前缘马蹄涡和通道涡的强度,降低了流道内部的气动损失,增加了近端壁的流动损失。有效的前缘壁角使前缘附近端壁换热水平减弱,流道端壁换热整体减弱,端壁高换热区沿流向下移,尾缘附近换热有所增加。在一定的非设计工况范围内,前缘壁角都是有效的。     

某重型燃机透平动叶冷却结构设计

在对某重型中低热值燃机透平动叶冷却结构分析的基础上,采用流体计算软件建立气热耦合计算模型,完成叶片内外部流场和温度场气热耦合计算,并对冷却结构的换热效果进行分析,在不增大冷却流量的前提下增加湍流结构提高了叶片的冷却效果。