燃气轮机涡轮叶片冷却通道内的流动与传热研究

本文用实验方法研究了冷却气流在放入一倍模型涡轮叶片内通道的压力分布、冷热态阻力及局部换热系数分布。     

燃气轮机采用不同冷却技术对IGCC系统性能影响

本文分析了用于燃气轮机系统的冷却技术,对采用空气冷却技术的GE-9FA,GE-9G型燃气轮机以及采用蒸汽冷却技术的GE-9H型燃气轮机进行了设计工况点的校核,通过定量计算重点研究了采用两种不同冷却技术的燃气轮机整合到IGCC系统中对系统热力性能、系统参数优化规律及环保性能的影响,从而为研究高效、环保的IGCC系统提供有价值的参考。     

涡轮叶片前缘阵列冲击冷却流动及传热特性数值研究

本文采用SST湍流模型模拟了类前缘通道内蒸汽射流阵列冲击冷却的流动与传热特性,分析了雷诺数(Re=10000～50000)、孔径比(d/H=0.5～0.9)和孔间距比(S/H=2～6)对流动及传热性能的影响规律,得到了相应的传热和摩擦关联式。结果表明:在不同雷诺数下,d/H从0.5到0.9变化时,通道压力损失系数降低了76%～79%,靶面平均努塞尔数降低了45%～49%;S/H从2增至6时,通道压力损失系数增加了1.64～1.92倍,靶面平均努塞尔数增加了54%～64%;增大d/H、减小S/H可有效提高类前缘通道蒸汽冲击冷却的综合热力系数。本文研究结果可为未来先进燃气轮机高温涡轮叶片蒸汽冷却结构的设计提供参考和借鉴。     

U型通道内部流动与换热的数值研究

应用数值方法研究了燃气轮机叶片内部U型通道内流动与顶部换热特性.采用SST k-ω模型,分析了U型通道内光滑和带凹坑顶部结构以及不同Re数和旋转数对U型通道内部流动和顶部换热的影响。结果表明:在静止条件下,带凹坑结构的通道顶部Nu数较高,并且随着凹坑深度的增加,通道顶部换热能力增强;并且凹坑结构对通道压降的影响较小。随雷诺数增大,凹坑对通道顶部换热增强的幅度降低。在旋转状态下,随着旋转数的增加,通道顶部换热能力增强,但通道压降增大。     

涡轮叶片前缘冲击-气膜冷却流动传热实验

本文采用瞬态液晶热像技术对涡轮叶片的前缘冲击-气膜复合冷却结构内部传热性能进行了详细实验研究。通过优化改进瞬态液晶热像测试技术实现了对前缘曲率表面传热的可靠准确测量,获得了雷诺数20000～50000范围内内前缘冲击-气膜冷却内部详细传热分布和该复合冷却流阻特性。结果表明:冲击-气膜冷却的努塞尔数和压力损失均随雷诺数的增大而增大;冲击孔偏置使得内部表面平均努塞尔数最多提高9.4%,阻力系数下降约6.0%,且换热的均匀性得到显著提升。     

耦合传热和冷却流通道流动对气膜冷却的影响

本文通过数值模拟的方法同时考虑了耦合传热和冷却流通道流动对气膜冷却的影响.计算结果表明,在考虑耦合传热的情况下,冷却流通道流动的影响仍然存在,但随着壁面导热系数的增大,这种影响减弱;同时在考虑耦合传热的情况下,受保护壁面温度场分布更加均匀,冷却效果更好.计算结果还表明吹风比为0.5时的冷却效果优于吹风比为1.0的情况.     

喷雾冷却中液滴冲击壁面的流动和换热

喷雾冷却中液滴冲击壁面的流动和换热强弱可用铺展系数和冷却效能的大小来反映.本文利用Volume-of-Fluid(VOF)方法,对初始直径在50～150 μm,初始速度在1.0～10.0 m/s之间的单个液滴冲击恒温发热表面的情况进行了数值模拟.模拟结果表明,增加液滴的初始速度和直径会扩大液滴的铺展范围,即铺展系数增大;液滴的初始直径越小、速度越大,则其冷却效能越大,即冷却能力越强.定量结果对喷雾系统的设计具有重要意义.     

冲击/发散冷却气膜冷却效率的实验研究

采用红外热像仪对冲击/发散冷却发散壁绝热壁温进行了测试,研究了气膜冷却效率随吹风比、孔间距、冲击间距、发散孔角度及排列方式的变化规律.研究结果表明,气膜冷却效率随发散孔角度的不同而差异较大;35°发散孔的冷却效率随吹风比的增大而减小,90°发散孔的冷却效率随吹风比的变化因孔阵布置方式的不同而有所差异;冲击间距对90°发散孔的冷却效率影响微弱,对35°发散孔的冷却效率影响较大;吹风比相同,孔间距越小冷却效率越高.     

交叉扭转椭圆冷却通道流动和换热研究

本文基于场协同理论,提出了一种可用于燃气透平叶片内部冷却的交叉扭转椭圆形截面内部冷却通道,其基本原理在于通过椭圆形截面通道的交叉扭转,能够实现纵向二次涡的产生,从而强化透平叶片的内部冷却。结合Fluent软件,对该通道内的流动阻力和换热特性进行了计算,并在此基础上分析了交叉扭转角度和长短轴长度比对通道内部流动和换热特性的影响。结果表明:交叉扭转椭圆截面通道使内部冷却显著强化,而流阻增加较少,计算工况下同功耗下的强化换热指标可达1.5;通道的最佳扭转角度范围宽广,实际应用中交叉扭转角度可以在45°～90°之间灵活选取;通道截面的最佳长短轴长度比为1.3～1.5。     

涡轮叶顶冷却布置对叶顶传热冷却性能的影响

本文采用数值模拟的方法,对比分析了1+1/2对转涡轮四种不同的叶顶冷却布置方案对叶顶传热、冷却性能以及气动特性的影响。四种布置方案分别是:靠近压力面垂直叶顶方向、靠近压力面且与叶顶有30°出射角、中弧线位置垂直叶顶方向、中弧线位置有30°出射角。研究表明,气膜孔沿压力面布置与气膜孔沿中弧线布置相比可以降低叶顶传热系数;由于气膜孔倾斜布置气膜射流动量降低,且削弱了肾形涡的影响,气膜的侧向覆盖范围增大。因此气膜孔靠近压力面布置可以提高气膜冷却效率;气膜孔靠近压力面且有30°出射角比垂直布置叶顶热负荷减少2.7%。另外,气膜孔靠近压力面布置可以降低主流的泄漏流量,有利于减小泄漏损失和提高涡轮效率。     

进气方式对冲击与气膜组合冷却效果的影响

通过数值模拟的方法,研究了涡轮叶片弦中区所采用的新型双层腔冷却结构的冷却特性,系统分析了冲击与气膜组合冷却的流动与换热特性,讨论了冷气进口雷诺数Re、吹风比M以及进气方式对组合冷却效果的影响.计算参数范围是:冷气进口雷诺数Re=2000～5000,吹风比M=0.6～2.0.计算结果表明:冷气进口雷诺数、吹风比以及冷气的进气方式对组合冷却效果均有很大影响.(1)冷气进口雷诺数越高、吹风比越大,组合冷却效果越好.(2)反向进气时的组合冷却效果明显好于正向进气时的组合冷却效果.     

气膜冷却布置对前缘流动传热的影响

透平一级静叶前缘是高温燃气滞止的区域,承受着整个叶片最高的热负荷,是极为重要的冷却部位。本文首先通过压力敏感漆实验得到了前缘在不同布置、吹风比、密度比情况下的绝热气膜冷却有效度分布,结合数值所给出的详细流场和传热信息,深入剖析了前缘气膜冷却的流动传热机制。     

主流流向压力梯度对气膜冷却效率的影响

气膜冷却被广泛地应用在现代透平冷却设计中.由于叶栅环境的复杂性,叶栅气膜冷却特性与平板气膜冷却表现很不相同,主流流向压力梯度是叶栅流动的重要特征之一。本文采用PSP技术研究了不同流向压力梯度下的绝热气膜冷却效率,并同时进行了相应工况下的数值研究,来获得更详细的流场信息,以揭示流向压力梯度对气膜冷却有效度的影响机理.研究发现,低吹风比下,气膜冷却效率随流向顺压增大而提高,而高吹风比下,流向压力梯度对气膜冷却效率影响不大。     

高温涡轮叶片三种内冷通道冷却性能的实验研究

本文用实验方法研究了高温涡轮叶片三种内冷通道的压力分布、冷热态流阻及局部换热系数分布．叶片前部分别采用径向光滑通道、集中冲击冷却和分散冲击冷却三种结构，叶片后部则分别采用三排φ3扰流柱和五排φ2扰流柱稠密布置两种结构．对这三种结构进行了冷却性能比较，提出了该类冷却通道的最佳结构．     

自耦合射流冲击冷却的数值计算

本文利用动网格技术对两维自耦合射流冲击冷却恒热流壁面进行了数值模拟,腔体底面具有一定的运动规律,每个时间步网格会重新划分。通过对流场和温度场的分析,得出以下结论:自耦合射流是零质量射流,射流的截面速度分布具有自相似性。涡对的平移和破碎影响了温度场的分布,从而冲击靶面温度最低点不是出现在射流驻点区,而是对应于涡对破碎、紊流度最大的位置。     

气膜孔角度对动叶前缘冲击/气膜复合冷却的影响

本文针对GE-E3第一级动叶前缘的冲击/气膜复合冷却结构进行了热流耦合数值研究.采用标准k-ω湍流模型,分析了前缘气膜孔对称布置时,其角度对透平动叶前缘冲击/气膜复合冷却特性的影响;在五种冷气质量流量比(MFR=0005,0.010, 0.016, 0.020, 0.025)下,研究了气膜孔在不同角度(β=20°,25...     

微通道冷却器内流动和传热特性的数值模拟

为满足固体激光器用微通道冷却器的换热要求, 根据冷却器结构分别建立了二维和三维物理模型, 利用计算流体力学方法首先对比研究两者的流动特性, 然后考察雷诺数和玻片生热量对微通道流动和传热特性的影响。结果表明：对于类似大平板间的矩形微通道层流流动区域, 其流动及传热特性可直接采用二维简化模型进行模拟分析;对于重点关注的转捩区, 采用三维模型模拟分析更好;当雷诺数增大到转捩点, 流体的传热效果得到明显增强;随着雷诺数的增大, 玻片生热量对通道内最低压力需求的影响逐渐减小;不同玻片生热量对微通道流动影响不可忽略, 对努赛尔数和通道总压降基本无影响。     

旋流条件对燃气轮机叶片流动传热特性的影响

燃烧室出口旋流度对透平一级静叶的流动传热有影响。本文对RANS模型应用于旋流计算中的效果进行研究,并分析燃烧室出口旋流形式和强度。针对实心叶片以及全气膜冷却叶片进行分析,研究了不同强度旋流条件对于叶片和气膜冷却系统覆盖效果的影响。结果表明:燃烧室出口旋流形式分为"C"型和"O"型,强度范围0.～0.8。旋流使叶片表面传热局部有增加,流动损失增加。旋流强度对气膜冷却系统有一定影响,前缘的冷却受影响较为显著。     

微通道冷却器内流动和传热特性的数值模拟

为满足固体激光器用微通道冷却器的换热要求, 根据冷却器结构分别建立了二维和三维物理模型, 利用计算流体力学方法首先对比研究两者的流动特性, 然后考察雷诺数和玻片生热量对微通道流动和传热特性的影响。结果表明:对于类似大平板间的矩形微通道层流流动区域, 其流动及传热特性可直接采用二维简化模型进行模拟分析;对于重点关注的转捩区, 采用三维模型模拟分析更好;当雷诺数增大到转捩点, 流体的传热效果得到明显增强;随着雷诺数的增大, 玻片生热量对通道内最低压力需求的影响逐渐减小;不同玻片生热量对微通道流动影响不可忽略, 对努赛尔数和通道总压降基本无影响。