Retrofit design of composite cooling structure of a turbine blade by fluid networks and conjugate heat transfer methods

This article discusses the development of the numerical methods of gas flow coupled with heat transfer, and introduces the fluid net-works method for rapid prediction of the performance of the composite cooling structures in turbine blade. The reliability of these methods is verified by comparing experimental data. For a HPT rotor blade, a rapid prediction on the internal cooling structures is first made by using the fluid network analysis, then an assessment of aerodynamic and heat transfer characteristics is conducted. Based on the network analysis results, three ways to improve the design of the cooling structures are tested, i.e., adjusting the cooling gas flow mass ratios for different inner cooling cavities, reducing the flow resistances of the channel turning structures, and improving the local internal cooling structure geometries with high temperature distribution. Through the verification of full three-dimensional gas/solid/coolant conjugate heat transfer calculation, we conclude that the modified design can make the overall temperature distribution more even by significantly reducing the highest temperature of the blade surface, and reasonably matching the parameters of different coolant inlets. The results show that the proposed calculation methods can remarkably reduce the design cycle of complex turbine blade cooling structure.     

涡轮叶片尾缘针肋换热及热应力耦合分析

涡轮是燃气发动机的重要部件，工作在高温燃气的环境中，产生的热应力对涡轮的强度有很大的影响。为了减小涡轮中叶片的热应力，提高其工作的可靠性，一般要用冷却装置加强散热。冷却装置的换热效果与工作温度场及装置的结构和形状等因素有关，而且冷却装置本身要承受热应力。设计冷却装置时要综合考虑这几方面的问题。多场耦合比较复杂，用有限元法模拟了针肋换热，分析了热应力和变形，对几何形状不同的2种针肋进行了对比分析，表明曲线针肋的换热性能优于圆柱针肋，并对结构设计提出了改进意见。     

Development of an aero-thermal coupled through-flow method for cooled turbines

The influence of complicated interaction between the flow field and heat transfer in cooled turbines becomes more and more significant with the increasing turbine inlet temperature. However, classical through-flow methods did not take into account the influence of the interaction caused by air cooling. The aerodynamic design and cooling design of cooled turbines were carried out separately, and the iterations between the aerodynamic design and cooling design led to a long design period and raised the design cost. To shorten the design period and decrease the design cost, this paper proposes a concise aero-thermal coupled through-flow method for the design of cooled turbines, taking into account the influence of the complicated interaction between the flow field and heat transfer in cooled turbines. The governing equations, such as energy equation and continuity equation in classical through-flow method are re-derived theoretically by considering the historical influence of cooling with the same method that deals with viscous losses in this paper. A cooling model is developed in this method. The cooled blade is split into a number of heat transfer elements, and the heat transfer is studied element by element along both the span and the chord in detail. This paper applies the method in the design of a two-stage axial turbine, of which the first stator is cooled with convective cooling. With the prescribed blade temperature limitation and the knowledge of the flow variables of the mainstream at the turbine inlet, such as the total pressure, total temperature and mass flow rate, the convergence of the calculation is then obtained and the properties of the flow field, velocity triangles and coolant requirement are well predicted. The calculated results prove that the aero-thermal coupled through-flow method is a reliable tool for flow analysis and coolant requirement prediction in the design of cooled turbines.     

单轴燃气轮机模块化仿真模型及其运行特性研究

基于STAR-90仿真支撑平台,采用模块化建模思想,建立了单轴燃气轮机压气机、燃烧室、燃气透平等主要部件的动态仿真模型,模型考虑了用压气机抽气冷却透平叶片对系统的影响。以PG9351FA型燃气轮机为研究对象,对其压气机导叶转角扰动和增投燃料过程进行了仿真研究。结果表明所建立的仿真模型可以正确反映燃气轮机的运行特性。     

三菱M701F燃气轮机叶片冷却技术分析

提高燃气轮机进口初温是提高其效率的有效方法,这在一定程度上受到透平热部件结构强度的限制,而采用先进的叶片冷却技术是提高燃气轮机进口初温的有效措施。通过分析三菱M701F燃气轮机叶片冷却技术的冷却原理和运行方式,为燃气轮机的安全高效运行提供参考。     

烟机叶轮的计算模型研究与强度分析

烟气轮机结构设计的关键是准确计算叶轮强度。采用数值模拟仿真的方法,通过有限元软件ABAQUS计算叶轮强度,计算内容包括叶轮的动静强度。物理模型选取叶轮的1/66,静强度计算结果显示最大应力发生在叶身底部背弧的中心位置,这与实际运行现场发生断裂故障一致,说明进行叶轮的静强度有限元数值计算时在保证网格质量的前提下必须考虑叶根与榫槽接合面之间非线性接触效应,而且接触部位的网格需用六面体网格。动频数值计算时,分别对2种约束形式下的模型进行计算,结果表明固定叶根情况下动频与考虑接触效应动频之间的差异主要体现在一阶模态上。强度分析表明该型号烟机的叶轮强度满足要求,对烟机叶轮的叶型设计具有指导意义。     

通气孔对动叶冷却结构流动和换热特性的影响

为深入研究某型燃气轮高温旋转动叶片内部先进的复合冷却结构,采用三维气热耦合数值计算方法,模拟该叶片外部高温流场、内部前后冷却腔内蛇形折流通道复合冷却结构的流动性能与换热特性,研究前腔蛇形折流冷却通道在采用局部通气孔改进设计的条件下对整个旋转叶片外表面冷却效果与内部冷却通道流阻系数的改善程度。计算结果表明:在给定的冷气流量条件下,无通气孔设计时,叶片内部蛇形折流通道采用的气膜/冲击/扰流复合冷却结构能够对叶片整体带来较好的换热效果,并且叶片内、外表面温度分布都处于合理范围,但由于整个内部折流冷却通道流动阻力较高,导致对冷却气源供应压力要求过大,且前后冷却腔室进口设计压力差别较大;在内冷前腔局部位置设计冷气通孔结构,可有效降低前腔折流通道的流动阻力,在保证叶片换热效果没有受到明显影响的前提下,实现了所需冷气供应压力和冷气量同时显著下降,多腔冷却气体用量得到更好匹配。该改型设计提高了原型叶片的工程应用价值。     

管网方法在双层壁冷却结构设计中的应用

为快捷有效地计算涡轮叶片双层壁复合冷却结构的冷却特性,将一套适用于气冷叶片换热模拟的管网耦合算法应用于所设计的双层壁内冷叶片上.结合冷却流路的一维管道网络算法以及壁面单元与对应外流场网格间的插值过程,形成HIT3D-Coolnet管网耦合程序,并参考有测量数据的涡轮叶片算例验证其模拟有效性.针对新型的双层壁冷却结构,在已有叶型的基础上初步构建3种配气方式的复合冷却方案.用HIT3D-Coolnet快速得到叶片外壁温度信息以甄选初始方案,借助全三维数值模拟分析初选方案双层壁结构内的流动特性,并据此采取措施改善初始设计.流场分析表明,导入腔内的冷却空气冲击腔壁,并在腔室空间内形成特定的旋涡结构,有效地强化了内部对流换热.在合理的冷气分配下,双层壁冷却技术可获得较好的冷却效果.     

汽轮机叶片圆环形盘铣刀包络铣削方法

为提高汽轮机叶片的加工效率,缩短汽轮机生产周期,在分析汽轮机叶片曲面构成及其加工方法的基础上,提出了采用圆环形盘铣刀包络铣削汽轮机叶片曲面的新方法.利用定向最小距离原理,对圆环形盘铣刀包络加工刀触点和刀具轨迹进行计算,研究了刀触点的计算模型和计算方法.采用该加工方法后,刀具轨迹行程相对于采用球头铣刀包络加工时有明显缩短,在提高叶片加工效率方面作用明显.研究内容为汽轮机叶片专用数控机床和叶片抛光机的设计提供了理论参考.     

风力机叶片在拍打方向的载荷估计与可靠性分析

为了保证风力机在复杂的载荷下安全、稳定运行,提出了一种用于分析风力机叶片在拍打方向上的疲劳概率模型．该模型利用应力-强度干涉理论,并且假定风速服从威布尔分布．考虑风速的不稳定性作用,在风力机叶片上分布载荷的不确定因素,并假定风力机的设计寿命为20a．在拍打方向上的疲劳概率通过一阶可靠性方法计算．计算了风速为12m／s,湍流度为I=0．02、0．1、0．15、0．2的4种情况,并对耿贝尔分布、三参数威布尔分布以及威布尔分布3种分布进行了比较．通过比较得知,耿贝尔分布的直线性比较好,而三参数威布尔分布以及威布尔分布都有尾部现象．最后,以600kw风力机叶片为例,通过应力-强度干涉理论来对叶片的可靠性进行估算．计算结果表明该台风力机符合可靠性要求．     

平板气膜冷却热固耦合特性的分析

为分析气膜冷却方法的综合冷却效果和可靠性,采用热弹耦合的计算方法对带气膜孔平板的冷却过程进行数值模拟,获得平板内部温度和热应力的分布特征,比较不同吹风比和不同气膜孔型对冷却效果的影响。结果表明:内部冷却和金属导热使固体内部温度分布较为均匀,热应力集中在气膜孔的前缘和尾缘。与传统圆孔相比,扇形孔和双射流孔能够显著提高冷却效率并降低热应力。该结果可为燃气涡轮叶片的冷却设计提供参考。     

风力机复合材料叶片流固耦合分析

为了给风力机叶片优化设计及研发工作提供准确的数据,减少成品的开发周期,降低成本,并保证风力机的安全运行,提出一种针对铺层后风力机风轮及叶片并利用ANSYS Workbench进行单向流固耦合分析的方法.主要在传统翼型NACA4412模型下进行叶片建模改进,应用铺层设计把叶梢、叶根、展向等改成渐变式厚度并进行流固耦合分析.数值模拟结果表明:叶片在风速13 m/s时叶尖部分压力最大,此时叶片弦长及其厚度处于最小状态,叶片中部靠近叶片前缘的位置为应力最大处.     

大型风力机叶片三维建模及模态分析

对大型风力机叶片开展了三维建模和模态分析。先确定叶片几何参数,再将其翼型平面坐标转换为空间坐标,并通过Proe生成叶片三维几何模型。采用模态提取方法 Block Lanczos法对叶片进行模态分析,得出了叶片的前10阶模态,结果显示叶片的主要振动形式为挥舞和摆振,有较强的抗扭转能力,设计中应加强叶片的弯曲刚度。这为大型风力机叶片的设计和优化提供参考。     

风机叶片设计二次开发与气动性能仿真

为了提高叶片设计的精度和效率,根据风机叶片设计的相关理论和方法,对叶片气动外形设计进行研究.以20 kW风机叶片为例,在Wilson法的基础上,利用VB、VC++等编程语言在SolidWorks平台上开发叶片气动外形设计及建模的应用系统.根据输入的设计参数自动生成叶片的三维实体模型,省去了以往设计过程中生成的大量数据的转换和存储,实现叶片的高效,智能化设计.为了对设计结果进行评估,同时验证设计的有效性,针对设计好的叶片模型进行流场仿真分析.结果表明,提出的叶片设计与建模方法能够有效提高风能利用率,缩短风机叶片设计周期,可用于企业对叶片的设计研发,并为叶片结构有限元分析和优化设计平台奠定基础.     

涡轮叶片精铸模具CAD系统实例库的设计与研究

对基于实例推理的涡轮叶片精铸模具CAD系统的核心内容——实例库进行了较深入的研究,给出了涡轮叶片精铸模具的实例表达、实例组织、实例存储和检索的方法,为基于实例推理的涡轮叶片精铸模具CAD系统的实现打下了良好的基础。     

离心力场下多孔介质中的热驱动现象

基于涡轮叶片新型超级冷却技术,在具有冷却通道的新型冷却结构中加入多孔介质,采用数值模拟方法研究了新型冷却结构的热驱动现象,计算结果和实验结果基本一致。研究结果表明在新型冷却结构中加入多孔介质后,封闭腔体中仍然发生了热驱动流动。而且通过数值模拟获得的流场和温度场,进一步地研究封闭腔体中流体的流动和换热过程。     

基于ACIS的水轮机转轮三维造型技术

传统的水轮机转轮设计包括流体动力学设计和几何设计 ,在几何设计中采用二维木模图来表示叶片 ,不能满足数字化设计与制造的要求。作者介绍利用VC 和ACIS开发转轮的三维造型及实现方法 ,通过三维造型功能的开发 ,实现转轮流体动力学设计与三维几何设计一体化     

燃气轮机进气冷却测控系统软件设计

阐述了燃汽轮机进气冷却的必要性。介绍了基于PLC的燃气轮机进气冷却测控系统的设计方案、系统结构、PLC功能实现以及远程通信问题。分析了燃气轮机进气冷却系统的工作流程，对加装燃机进气冷却系统的控制单元结构、基于Delphi7．0进行开发的上位机测控软件设计进行了详细介绍。运行结果表明，该系统性能稳定可靠，自动化程度高，能够满足进气冷却的测控要求。     

相似理论在研究叶片捕水和疏水性能中的应用

为进行实验汽轮机级的模化设计,必须采用相应的模化设计原则,但目前级模化设计原则主要对级内气流流动进行研究,不适合用来研究叶片的捕水和疏水问题.基于此,采用相似理论的原理,经过合理的假设,理论分析研究得出了旋转叶片表面水膜的运动方程.并由此运动方程分析推导得出了在考虑叶片捕捉水滴和疏水情况时级的模化设计原则.根据所推导出的级模化设计原则对某实际级进行了模化设计,所得模化设计结果符合实验级设计的要求.     

超超临界汽轮机中压转子冷却效果分析

为了评价超超临界汽轮机中压转子的冷却效果及其对主蒸汽流动性能的影响,以600MW超超临界汽轮机中压缸为计算模型,采用气热偶合数值模拟方法对中压转子的蒸汽冷却进行了研究.计算结果表明,在所研究的冷却结构与冷却蒸汽初参数下,叶根最高与最低温度分别下降19K与95K,中压转子得到了充分冷却.冷却蒸汽增大了动叶温度分布的不均匀性,导致热应力上升.因此有冷却的动叶热应力校核应该是一个重点考虑的问题.