大型燃气涡轮叶片冷却技术

近年来,随着大型燃气轮机性能的不断提高,为进一步减少有效气体的消耗,提出了汽雾两相流冷却方案,即涡轮叶片由空气冷却逐渐转向空气和蒸汽双工质冷却,现已日益成为研究的热点.大量研究表明,汽雾冷却具有冷却快、冷效高、流阻小和结构简单等优点,将在下一代高性能燃气轮机的涡轮叶片冷却中发挥重要作用.通过对带冲击气膜结构冷却的数值模拟,平均冷却效率明显提高,且低温区明显延长.     

带单排气膜孔导向叶片前缘气膜冷却实验研究

针对导向叶片前缘结构的特点,建立了前缘气膜冷却实验台,实验模型由半圆柱面和2个平板组成,在距离滞止线2倍气膜孔直径位置布置了1排气膜孔.详细地测量了动量比对前缘径向平均换热系数和冷却效率的影响.二次流与主流密度比为1.5.动量比变化范围为0.5～4.主流在前缘位置的湍流度为0.4%和8%.研究结果表明,随着动量比的增加,换热系数增加,冷却效率减小.低动量比时气膜冷却使热负荷减少,高动量比时气膜冷却使热负荷增加.     

动量比对气膜冷却效率影响的数值模拟

为了研究动量比、湍流度和密度比对圆柱形气膜孔流动的影响规律,文章采用数值模拟方法,研究了圆柱形气膜孔的冷却效率,并与实验值进行了对比.结果表明,随着动量比的增大,二次流在气膜孔出口处逐渐偏离叶片;气膜孔出口下游存在1个高速区域,动量比增大,这一区域的速度随动量比的增大而减小.在湍流度和密度比保持不变的情况下,随着动量比增加,冷却效率计算值随着距离的增加在总体上呈现逐渐减小的趋势.在低密度比下,湍流度对冷却效率影响不大;当密度比为1.5时,湍流度的不同导致冷却效率产生显著差异,密度比越小,冷却效率越低.在喷口处,数值计算值与实验值存在一定的差异.数值模拟的结果能够定性地反映气膜孔的流动特性.     

层板结构冷却机理的数值模拟研究

应用商业软件对一种典型的层板结构选取多个单元进行了流动和换热的耦合计算,考虑了燃气侧及冷气侧流动的影响,燃气及冷气的流动方式模拟层板叶片中真实的流动方式。网格划分采用非结构性网格,湍流模型采用k-ω双方程模式,速度与压力采用SIMPLE算法耦合求解。获得了层板内部的流动和换热情况,流体域、固体域的温度信息。发现冲击孔及气膜孔内部的流动不具有对称性,各换热面的换热系数分布也不均匀,燃气侧局部区域出现负热流现象。分析了层板燃气侧、内部及冷气侧的流动和换热特性及其对层板冷却有效性的影响,得到了层板冷却有效性随吹风比变化的曲线。     

涡轮动叶表面气膜冷却换热实验研究

这里在大尺寸低速叶栅传热风洞中，对某型涡轮动叶表面有无气膜冷却的换热情况进行了详细的实验研究，实验结果表明，不同孔位出流的换热由于孔排下游表面来流速度及叶片表面曲率的不同而有着不同的规律，即主流雷诺数对叶片表面特别是压力面和前缘区域的换热系数比的影响较小，吹风比对换热系数影响较大，并且随气膜孔位置和来流雷诺数的变化而情况复杂。     

不同湍流模型对叶片表面换热系数结果的影响

为了比较湍流模型对涡轮叶片外换热计算结果的影响,采用的三种湍流模型对NASA-C3X导向叶片进行了表面换热计算并与实验数据进行了对比,结果表明:边界层流态的转变对换热的影响很显著,缺乏对湍动能发展的控制是影响换热计算结果主要原因;标准的k-ε模型换热计算效果较差,Reynolds Stress模型体现了边界层流动状态的转变对换热影响;研究在不同计算域采用不同湍流模型的计算技术,是一种较好的可行的方案.     

粗糙表面流动与换热的数值模拟的新模型

考虑“粗糙元高度”和“粗糙元间距”两个因素的影响，对Van Drist阻尼函数进行了改进，然后将其引入边界层计算程序，对不同粗糙远间距、不同来流速度等工况下粗糙表面的换热进行了计算，结果与实验数据符合良好，说明改进后的Van Drist阻尼函数很好地反映了粗糙度雷诺数及粗糙元分布疏密度的影响，能适用于计算粗糙表面上的流动及换热。     

煤油在微小圆管内传热研究

通过实验研究了航空煤油在内径为1mm的微小圆管内的传热情况.实验压力范围为:(673～741)KPa,流体平均温度范围为:(43.9～109.5)℃,流速为:4m/s,实验管内径为1mm,外径为2mm,管长为360mm,实验结果表明:在该实验范围内,在内径为1mm的微小圆管内,航空煤油的传热规律和常规尺度圆管中传热经典公式相吻合.     

航空发动机篦齿封严特性数值分析

为了解航空发动机空气系统中封严篦齿的流动及封严情况,采用数值模拟方法对二维蓖齿封严特性进行研究.使用商业软件FLUENT6.3对直通型蓖齿齿数N为3、5、7、9,间隙比t/c为0.5、1、2时不用工况下进行计算,得出各种情况下流量系数随压比变化关系.主要结论为:流量系数随压比的增加而增大;齿数N越多,封严效果越好;缝隙越小,间隙比t/c越大,封严效果越好.同时比较了齿数N为3时的直通型与非直通型封严效果,得出非直通型封严效果更好.     

涡轮叶片表面流动及换热特性实验研究

为深入了解叶片表面的流动和换热特性,在叶片表面布置静压测孔获得叶片中截面压力系数和速比系数分布规律,同时采用瞬态液晶技术获得叶片表面高分辨率的努塞尔数分布云图。结果表明,叶片前缘受来流直接冲击,努塞尔数中间高两侧低;在吸力面上努塞尔数在分离区域降低,在再附着区域升高;在压力面上努塞尔数先降低再逐渐升高。