简讯

不同内部冷却结构的燃气涡轮叶片试验和数值分析据《ASME Journal of Turbomachinery》2011年1月刊报道,将油漆喷入水中,利用流动显像试验完成了流动分析,以评定主要的几何结构修改对气膜冷却燃气涡轮转子叶片内部传热的影响。同时,采用SST紊流模型并利用ANSYS CFX软件数值模拟叶片内部的流动和传热。     

考虑轮缘密封射流与主流相互作用的透平级气热性能研究进展

燃气轮机二次空气系统的冷却气体通过轮缘密封阻止主流燃气入侵,同时冷却气体通过轮缘密封射流进入主流流道并与主流掺混。轮缘密封射流与主流相互作用对透平级的气动性能和传热冷却特性具有重要影响。本文综述了考虑轮缘密封射流作用下透平级气动性能的实验和数值研究进展,阐明了轮缘密封射流改变端区二次流涡系结构的作用机制;介绍了轮缘密封射流对叶栅端区传热冷却性能影响的研究现状;给出了轮缘密封结构设计对提高透平级气热性能的研究成果;简要回顾了高负荷透平叶栅非轴对称端壁设计理论和进展,重点讨论了轮缘密封射流对非轴对称端壁透平级气热性能的影响特性。论文总结了考虑轮缘密封射流与主流相互作用的透平级气热性能研究结论,展望了轮缘密封射流作用下透平级气热性能需要深化的重点研究方向。     

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。     

高压涡轮采用非轴对称端壁的研究

以某型高压涡轮第二级静叶为研究对象,对四种非轴对称端壁造型状况下涡轮叶栅的流动状况进行数值模拟,研究非轴对称端壁造型技术在高压涡轮中对流动产生的影响。将非轴对称端壁与轴对称端壁的计算结果对比分析,结果表明：在该型涡轮设计工况下,非轴对称端壁的应用可以明显减弱端壁处的横向压力梯度,降低出口截面处的绝对螺旋度,减少主流与二次流之间的掺混,同时使得出口气流角沿叶高分布更加均匀,改善下游动叶入口的气动条件。     

燃气轮机透平叶片传热和冷却研究:端壁冷却

在现代低展弦比燃气透平设计中,端壁的换热与冷却问题随着透平进口温度的不断提高已经变得至关重要。综述了国内外有关透平端壁气动、换热与冷却方面的研究进展,特别展示了端壁冷却研究领域一些最新的典型研究成果,并基于目前的研究发展趋势指出:在端壁的换热与冷却技术研究领域,新型气膜孔和端壁的改型设计将得到进一步的研究;兼顾端壁换热冷却和气动性能的多目标多学科优化问题将是一个具有挑战性的研究重点;此外端壁的复合冷却技术及其相关的流热耦合换热研究将为端壁的高效冷却设计提供重要支撑。     

高压涡轮叶身/端壁融合技术研究

为解决燃气轮机涡轮在端区二次流动造成的流动损失,对叶身/端壁融合(Blended Blade and End Wall,BBEW)技术在涡轮气动优化中的有效性进行研究,以E3模型高压涡轮第一级叶栅为研究对象,对涡轮叶片吸力面下端壁进行不同形式的叶身/端壁融合造型。设置入口总温为709 K,总压为344.74 kPa。通过数值模拟研究叶身/端壁融合技术在降低端壁气动损失及提高涡轮级效率和做功能力方面的贡献。研究结果表明：融合技术的应用能够有效减少端区局部流动损失,提升涡轮级做功能力,但同时会增加最大融合圆角半径位置处的流动损失;当静叶最大融合圆角相对半径和相对轴向弦长位置分别为0.16和0.47时,涡轮得到最佳的整体提升效果,此时等熵效率提高了0.010 %,比功率提升了0.141%。     

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%。     

通流间隙和上游缝隙对叶片端壁气膜冷却影响的计算研究

据《ASME Journel of Turbomachinery》2011年1月刊报道,为了提高发动机性能,涡轮都设计在高进口温度下运行。为了减少燃烧产生的NOx,燃烧室设计力图实现温度分布平缓,达到第一级静叶片非常有利的传热。对于许多部件,包括叶片端壁,气膜冷却仍然是最有效的冷却方法,同时给出了气膜冷却端壁计算研究     

基于流体网络法的透平叶片冷却内通道网络模型与分析

采用流体网络法研究分析了某E3发动机高压涡轮动叶的冷却结构,通过合理简化,并选用合适的元件模型,构建了冷却流路的流体网络;对高压涡轮流场进行了三维数值计算,确定了叶片冷却流路流体网络计算所需的边界条件;根据实验关联式,确定损失、传热等相关系数,并根据冷却结构特点自定义了部分特性曲线。将流体网络计算结果与NASA文献中的数据进行了比较,表明本文方法能较好地预测各流路的流量、温度、压力等参数,能够用于叶片冷却结构的性能分析以及叶片冷却结构的初步设计。     

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。