超临界汽轮机中压透平级流动传热特性研究

通过采用耦合流场计算和共轭传热的数值方法,研究了超临界汽轮机高压缸冷却蒸汽对中压缸第一级固体部件的冷却特性及其对级气动性能的影响,同时对比了有无蒸汽冷却的中压缸第一级的流场和温度场.结果表明:蒸汽冷却技术可以有效地对中压缸第一级动叶叶片、叶根、转子及轮盘进行冷却.受到冷却孔的抽吸作用而进入冷却孔的冷却蒸汽对冷却孔及周围的叶根区域具有明显的冷却作用.在蒸汽冷却的作用下,中压缸第一级转子系统温度下降的最大幅度达80 K.部分冷却蒸汽进入中压缸第一级叶栅主流道并与主流掺混,从而使得根部反动度增大,动叶通道涡强度增加.所以,蒸汽冷却技术可以有效提高高温转子的运行寿命和安全的可靠性.     

汽轮机高压冷却蒸汽对中压缸转子的冷却效果研究

为分析大功率汽轮机高压冷却蒸汽对中压缸转子的冷却效果,采用CFD和共轭换热(CHT)方法,对600MW汽轮机中压缸前两级内部流动及换热进行了分析,研究了高压冷却蒸汽对中压缸前两级转子轮缘及叶根的冷却效果及其对近根部流动特性的影响.结果表明,高压缸冷却蒸汽以级效率降低为代价,有效地实现对中压缸转子的冷却功能,使中压缸前两级转子轮缘最高温度分别比主叶片体温度显著降低.     

超超临界汽轮机高压缸旁路冷却系统冷却特性研究

采用耦合流动计算和共轭传热的数值方法研究了1 000MW超超临界汽轮机高压缸旁路冷却系统的冷却特性,给出了系统作用下高压缸内外缸和轴端平衡活塞等固体部件的温度场分布特性,对比了有/无内部旁路冷却系统在不同条件下高压缸的温度场。研究结果表明:超超临界汽轮机高压缸旁路冷却系统能有效冷却高压缸内缸和轴端平衡活塞,使整体温度水平明显下降,高压缸外缸温度略有上升,高压缸内缸在旁路冷却系统的作用下温度分布均匀;对于阶梯式平衡活塞的冷却作用,主要取决于3段汽封长度、汽封齿间隙及平衡活塞前径向间隙。     

冷却孔布置对透平转静腔室性能影响的数值研究

采用SST湍流模型数值研究了透平第二级转、静腔室的流动与封严特性,分析了冷却孔布置对腔室内的流动、冷却效率以及主流燃气入侵特性的影响。研究表明:冷却孔的位置对上游腔室内的流动影响较大,对下游腔室基本无影响;冷却孔距离上游越近,上游腔室的旋流比越大,级间密封进口的旋流比越小,密封进、出口压比越小,相应的流过级间密封的质量流量越小,上游轮缘密封的燃气入侵量越小,上游腔室转、静壁面的冷却效率就越大;下游轮缘密封出流的旋流比越小,相应的主流通道的流动损失越大,但冷却孔位置对下游腔室内的旋流比和壁面冷却效率的影响很小;随着冷却空气流量的增加,3种冷却孔布置下上游腔室壁面冷却效率的差值减小。     

大型汽轮机调节级动叶栅温度场分析

超临界汽轮机调节级承担着较大的焓降,温度梯度更大,会引起高压缸各级相当大的热应力和热变形,特别是调节级动叶栅及调节级处的转子表面的温度变化较为剧烈,这将影响机组的启停及变工况速度,不利于机组的调峰。而本文以某600MW超超临界汽轮机为例,建立了调节级动叶栅的有限元分析模型,模拟出整个动叶栅及转子表面的温度分布图,为研究超超临界汽轮机各级叶片和转子热应力的分析提供了理论基础,并为机组的启动优化提供了参考。     

全气膜冷却叶片表面换热系数和冷却效率研究

为了研究全气膜冷却涡轮导叶叶片的换热特性,采用瞬态液晶技术获得了叶片全表面的高分辨率换热系数和冷却效率.实验在三叶片两通道放大模型中完成,叶栅进口雷诺数是1.0×105. 叶片前缘有8排复合角孔,压力面有21排轴向角孔,吸力面有24排轴向角孔.气膜孔排由2个供气腔供气,前腔二次流与主流的质量流量比为4.56％,后腔为4.67％.结果表明:受叶栅通道涡作用,气膜出流在吸力面呈聚敛状,在压力面则呈发散状.气膜出流受气膜孔角度影响,气膜孔下游的换热系数和冷却效率都较高.叶片前缘受到冲击,换热强,冷却效率低;叶片吸力面冷却效率维持在0.4左右,压力面维持在0.35左右.该全气膜冷却叶片气膜覆盖效果较好,冷却效率和换热系数分布均匀,是一种较好的冷却结构.     

叶片全表面换热系数和冷却效率的实验测量

采用瞬态液晶技术测量了涡轮导叶叶片全表面的换热系数和冷却效率.实验叶片前缘区域有5排复合角度圆柱形气膜孔,压力面有10排圆柱形孔,吸力面有2排圆柱形孔和2排扇形孔,气膜孔排由2个供气腔供气.实验叶栅由3个直叶片构成,叶栅进口雷诺数是1.1×105,前腔二次流与主流的质量流量比为5.87%,后腔为1.06%.实验测量获得了叶片表面换热系数和冷却效率的二维分布云图,结果表明:气膜孔下游的换热系数和冷却效率都较高;扇形孔下游的冷却效率比圆柱形孔的高;受叶栅通道涡的影响,吸力面气膜覆盖区域收缩,压力面气膜覆盖区域扩张;吸力面换热系数分布受气流分离和通道涡影响.     

考虑气膜冷却脉动特性的涡轮动叶凹槽状叶顶气动和冷却性能研究

为了深入研究压气机抽取的脉动冷气影响燃气涡轮动叶凹槽状叶顶的流动与冷却特性,采用数值求解三维非稳态雷诺时均N-S方程和标准k-ω湍流模型的方法,研究了考虑气膜冷却脉动特性的涡轮动叶凹槽状叶顶的气动和冷却性能。采用正弦函数描述动叶凹槽状叶顶中弧线等间距布置气膜冷却孔的冷气脉动特性,对比研究了3种脉动振幅和5种脉动频率的动叶凹槽状叶顶气膜冷却有效度和总压损失系数。研究结果表明：在一个脉动周期内,不同瞬时冷气的穿透能力和附着能力差异显著。气膜冷却冷气吹风比小幅值脉动时,脉动频率的提高改变了叶顶气膜冷却有效度变化曲线的相位,但对整体的冷却效果基本没有影响;冷气吹风比大幅值脉动时,脉动频率的增大略微提高了叶顶冷却性能,并且当脉动频率增大至最大值2 000 Hz时,受到延迟反馈效应的影响,脉动周期内气膜冷却有效度的最低值相比250 Hz时提高约50%。高温主流在冷气吹风比大幅值脉动时周期性入侵冷气管路,对叶顶中间弦长和尾缘处的气膜孔结构造成破环。气膜冷却冷气吹风比低频脉动时,动叶平均总压损失系数以正弦函数规律变化,不同瞬时的总压损失系数差异随冷气吹风比脉动幅值的增大而扩大,同时当脉动频率增加时,不...     

压力侧冷却流对凹槽叶顶气膜冷却与传热性能的影响

为了降低凹槽叶顶整体热负荷并提高高传热区的气膜冷却效率,研究了压力侧冷却射流对透平级凹槽叶顶冷却传热性能的影响。通过数值计算获得了2种压力侧气膜孔形状(圆孔、扩张孔)和5种压力侧射流角(20°～40°)条件下,透平级凹槽叶顶的传热系数和气膜冷却效率分布。研究表明：前缘压力侧冷却流进入凹槽,增强了凹槽底部的冷却效果;中部和尾缘压力侧冷却流对凹槽肩壁和叶顶尾缘进行了冷却,增强了叶顶高热负荷区域的冷却效果。在所研究的射流角范围内,射流角越小,凹槽叶顶的冷却效果越好。当采用扩张孔、射流角由20°增大到40°时,肩壁的面积平均传热系数增大了6%,面积平均气膜冷却效率减小了14.3%;叶顶压力侧的面积平均传热系数增大了36%,面积平均气膜冷却效率减小了37.2%。在小射流角条件下,扩张孔的叶顶和压力侧冷却效果优于圆孔。射流角为20°时,与圆孔相比：扩张孔使凹槽肩壁面积平均传热系数减小了2%,面积平均气膜冷却效率增大了5.9%;扩张孔使叶顶压力侧的面积平均传热系数减小了22.6%,面积平均气膜冷却效率增大了43.3%。     

二次冲击对静叶前缘冷却性能影响的对比研究

为了进一步优化现代先进燃机高压涡轮静叶前缘区域的冷却性能,基于NASA C3X叶型建立了上游腔室采用冲击冷却与气膜冷却组合的阵列冲击-气膜复合冷却静叶模型,采用流固共轭传热方法数值研究了涡轮静叶内部冷气的流动和传热特性,针对常用的冷气流量范围分析了引入二次冲击结构对静叶前缘冷却性能的影响。结果表明：二次冲击对靶面对流换热影响较小,但能有效提高冷气在整个流路中的对流换热强度,还能平衡不同区域气膜孔排的冷气流量分配。二次冲击有效降低了气膜孔附近的固体温度,尤其是对于气膜孔较密集的前缘。同时,在固体导热的作用下,气膜孔附近的低温区会影响到无气膜孔区域,降低整个固体域的温度。二次冲击显著改善了叶片上游表面尤其是前缘的复合冷却性能,其中,对上游表面的优化率大体上随冷气流量的增大先升高后降低,在质量流量比M为1.25%时最高,约为4.44%;对前缘的优化率大体上随冷气流量的增大先降低后升高,在M为1.50%时最低,约为9.66%,在M为2.25%时最高,约为11.70%。     

透平静叶前缘和压力面气膜冷却实验研究

采用压敏漆(PSP)实验技术测量某F级重型燃气轮机第一级透平静叶前缘和压力面的气膜冷却效率及叶片表面压力分布,初步检验静叶前缘和压力面的整体气膜冷却效果,探讨吹风比、密度比和供气方式等参数对前缘及压力面气膜冷却特性的影响。结果表明:前缘气膜孔采用交错布置,气膜冷却效率分布相对均匀,同时部分未被完全掺混的冷气在下游压力面产生气膜覆盖,随着吹风比增大,前缘冷却喷射在压力面的气膜覆盖范围增大且强度增强,由于受到叶栅通道涡的影响,气膜覆盖区域往下游向中间聚拢,形成气膜三角区;压力面逐排供气意在探讨各排孔在不同吹风比和密度比条件下的基本冷却特性,成型孔的布置使得冷却效率由吹风比主导,各排孔的气膜冷却效率随着吹风比增大而增大;相比于逐排供气,多排孔连供更接近于燃气轮机的真实运行环境,表征了各排孔相互干涉条件下的整体气膜冷却效率分布,多排联供使得冷气在下游逐渐形成累积,近尾缘区域之后表现得尤为明显,同时气膜冷却效率的累积特性基本符合"Shettle superposition"规律。     

透平级带压力侧小翼凹槽叶顶的传热与气膜冷却性能研究

采用数值方法研究了发动机工况下燃气透平第一级动叶带压力侧小翼的凹槽叶顶冷却传热性能，分析了7种小翼结构(等截面小翼、扭曲型小翼等)对透平级气动性能与传热系数分布的影响，对比了单排气膜孔、双排气膜孔条件下传统凹槽叶顶、无压力侧肩壁凹槽叶顶、带压力侧小翼凹槽叶顶的冷却传热效果。结果表明：传统凹槽叶顶槽底存在高传热区，合理的压力侧小翼结构设计能有效消除槽底高传热区、降低凹槽叶顶的平均传热系数；相对于传统凹槽叶顶，带圆角扭曲型小翼凹槽叶顶的平均传热系数下降了约16.45%。叶顶气膜孔能有效降低叶顶的平均传热系数，且双排孔结构下叶顶气膜冷却效率有明显提升。对于单排气膜冷却孔结构，带压力侧小翼凹槽叶顶气膜冷却效率优势不明显，可通过加入压力侧气膜孔提升其传热与冷却性能；在双排孔冷却结构下，带压力侧小翼凹槽叶顶平均传热系数比传统凹槽叶顶减小0.76%,比无压力侧肩壁凹槽叶顶减小7.84%,气膜冷却效率比传统凹槽叶顶增大9.13%,比无压力侧肩壁凹槽叶顶增大9.6%。     

椭圆孔及偏转角对凹槽叶顶气膜冷却流动换热特性的影响

为进一步提高叶顶气膜冷却效率,降低叶顶泄漏流量,采用CFX软件数值求解三维RANS方程及标准k-ω湍流模型,研究了应用椭圆冷却孔及径向偏转角后的动叶凹槽叶顶流动与换热特性。以GE-E3第一级动叶为研究对象,将叶片中弧线切线作为椭圆长轴开孔方向,偏转角分为向压力面侧的正向倾斜以及向吸力面侧的反向倾斜,共分析了8种结构在3种吹风比下的数值模拟结果。研究结果表明:无偏角椭圆孔在低吹风比下获得的平均气膜冷却效率比圆孔高1倍以上,高吹风比下椭圆孔冷却效果受限于出流区域收缩有所衰退,正偏角椭圆孔在全吹风比下冷却效果均优于无偏角圆孔;正偏角结构局部冷却效果较好,但集中冷却在压力面侧区域,负偏角在中高吹风比下有效扩大了冷却范围,但在低吹风比下的冷却效果较差;正偏角出流指向泄漏流入口,增强了气膜冷却阻塞作用,减小了泄漏流量,泄漏流相对减少率最高达到了11.4%;负偏角由于大幅度的流动偏转,制造了凹槽内涡流,引入了一部分叶顶外主流,在大偏角结构下的泄漏流相对增长了16.6%。     

质量流量比对全气膜冷却叶片冷却特性影响的实验研究

采用瞬态液晶技术获得了全气膜冷却涡轮导向叶片全表面的高分辨率气膜冷却效率分布云图。实验在放大模型中完成,叶栅构成为三叶片两通道,叶栅进口雷诺数是1.0?05。叶片前缘有8排扩张型孔,压力面有21排轴向角孔,吸力面有24排轴向角孔。气膜孔排由２个供气腔供气,前腔二次流与主流的质量流量比为4.56%,后腔为4.67%。结果表明：受叶栅通道涡作用,气膜出流在吸力面呈聚敛状,在压力面则呈发散状。在三种质量流量比情况下,叶片平均冷却效率分布大体一致。随质量流量比的提升,叶片平均冷却效率提高,叶片前缘区域,气膜冷却效率提升更加明显。     

超超临界汽轮机高压缸旁路冷却系统流动特性的研究

采用耦合流动计算和共轭传热的数值方法研究了1 000 MW超超临界汽轮机高压缸内部旁路冷却系统内的流场特性,给出了旁路冷却系统内三维流动细节和温度与压力场的分布规律,并与未考虑内、外缸传热作用的纯流动计算结果进行了比较.结果表明:旁路冷却系统中流动形态主要受系统结构和蒸汽自身流动特性的影响;温度场分布不仅受蒸汽流动形态的影响,还取决于高压缸固体域对流体域的传热作用.研究结论验证了,耦合流动传热数值方法能够更加真实地反映旁路冷却系统内温度场的分布.     

300 MW汽轮机中压缸多级叶片气动设计与分析

为了改进某汽轮机中压缸的气动性能,对其前3级的直静叶设计提出反扭或弯扭等多种改型方案,并运用计算流体力学（CFD）方法对原方案和改型方案的内部流场进行了数值模拟．根据计算结果分析了不同方案下的级内流动特性和气流参数变化,给出了各方案下的多级效率．计算结果表明,静叶扭转减小了动叶的相对进气角,从而使多级效率有所提高．静叶的弯曲改型对多级效率的影响不明显,但能改善叶间流场的分布形态．     

具有回油冷却结构的航空伺服作动器热力学建模与分析

航空矢量喷管作动器受发动机热辐射的影响严重,常采用回油冷却方式进行作动器及其部件的温度控制. 考虑发动机与伺服阀控作动器的对流、辐射以及作动器各部件之间的传热过程,建立真实工况下基于集总参数法的矢量喷管作动器热力学模型,取得了活塞在中位附近以及往复运动时作动器各部件的温度分布规律及其影响因素. 分析结果表明:活塞在中位附近时,油液流过冷却流道通过热传导作用带走热量,冷却效果显著. 活塞往复运动时,油液不断进出有杆腔和无杆腔,各节点温度达到稳定波动状态,较中位附近时的热平衡温度均有所降低. 作动器各节点温度随机闸辐射温度、环境温度和油液温度升高均升高,其中发动机机闸的辐射温度影响最为明显. 缸筒直接受机闸热辐射作用,某机闸温度从300 °C升至400 °C时,左、右两侧缸筒温度升高约40 °C. 通过对流换热作用,随环境温度、油液温度的升高作动器各节点的温度线性升高.      

动静干涉对叶栅前缘气膜冷却特性的影响

针对动静干涉影响下涡轮动叶前缘气膜孔射流与主流的相互作用展开研究,比较分析了叶根、中截面及叶尖区域气膜冷却流场和温度场分布特征的差异.结果表明:随着叶高的增加,前缘滞止线从吸力面侧逐渐向压力面侧偏移,压力面侧气膜射流贴壁性变弱;动静干涉使得气膜射流出现"分流"、"上扬"和"逆流"现象,对中心截面气膜覆盖的影响大于叶根和叶尖区域;气膜射流下游反转涡对呈现明显不对称性,吸力面侧反转涡对强度和尺度沿叶高方向不断降低,而压力面侧反转涡对的变化趋势相反;动静干涉降低了气膜冷却效率.     

超超临界汽轮机调节级动叶栅热应力分析

本文以某600MW超超临界汽轮机为例,应用ANSYS建立了调节级动叶栅和所在转子凸台的有限元分析模型,得到了变工况下应力分布规律,了解动叶栅和所在转子凸台应力最高的部分,为研究叶片和转子热应力的分析提供了理论基础,并为机组的启动优化提供了参考。     

不同容积流量下汽轮机低压缸末三级定常流动数值研究

借助商用计算流体动力学软件CFX,对不同容积流量下某大型核电汽轮机低压缸和排汽缸联合进行了全三维黏性定常流动的数值研究,详细分析了低压缸末三级的流动特性。结果表明:在40%设计流量下,末级动叶根部受逆压梯度的作用,在吸力面近尾缘区域开始发生流动分离,并随着流量的进一步减小,逆压区域向径向发展而形成回流;在30%设计流量下,负攻角导致末级动叶顶部压力面的近前缘区域发生流动分离,随着流量的进一步减小,该分离向叶根发展;在10%设计流量下,末级静叶顶部及根部受负攻角的作用而导致压力面近前缘区域发生流动分离;末级动叶在靠近叶顶处的绝对出口气流角会随着流量的减小不断增大,通过绝对出口汽流角在叶高方向的转折点可以判断回流区径向扩展的位置。