高温涡轮叶片内冷通道强化换热试验系统设计

针对重型燃气轮机高温涡轮叶片的双工质冷却技术,设计建造了研究带肋复杂叶片内冷通道内蒸汽/空气流动及强化换热特性的试验平台。该平台由压缩机、蒸汽发生器分别提供冷却空气和蒸汽源,可以进行叶片内冷通道内蒸汽、空气两种工质的对流、冲击、肋柱扰流及多种冷却结构下的冷却换热机理和摩擦阻力特性研究。从而能揭示叶片内冷通道内流动阻力、表面强化换热与不同冷却结构几何参数及气(汽)动参数的影响规律。获得单元通道内蒸汽/空气为冷却介质的高效冷却结构及相关换热关联准则式。     

透平叶片双工质冷却特性的实验研究

针对双工质冷却叶片存在尾缘温度较高的问题,提出了一种带尾缘射流孔的双工质冷却叶片.在建立的3叶片叶栅热风洞实验平台上,实验研究了冷却介质进口参数对实验叶片表面温度和冷却效率分布的影响.结果表明:双工质综合冷却下,叶片尾缘温度大幅度下降,叶片表面温度分布较均匀;当冷却介质与主流燃气的温比Tc/Tg=0.65、压比Pc/Pg=1.3、流量比Mc/Mg=0.034时,叶片尾缘和前缘区域冷却效率分别约为50％和55％,中弦区域的冷却效率高达67％;与冷却介质进口参数相比,冷却方式和冷却结构对提高叶片冷却效率更有效.     

冲击孔位置对涡轮叶片冲击/气膜复合冷却特性影响的实验研究

为研究冲击孔位置对空冷涡轮叶片冲击/气膜复合冷却特性的影响,选择4种具有不同冷却结构的涡轮叶片开展了综合换热实验。实验叶片由低导热系数的树脂材料制成,分别为仅有气膜冷却结构的叶片0、具有正向冲击孔的叶片1、具有偏置冲击孔的叶片2以及具有交错偏置冲击孔的叶片3。使用红外热像仪拍摄得到实验叶片表面温度分布。实验结果表明,涡轮叶片综合换热特性由内部冷却和外部冷却共同决定。在吹风比较大时,射流冲击强化了冷却剂和叶片内壁面之间的换热,导致具有冲击冷却结构的叶片1、2、3相对于叶片0综合冷却效率提升了3.1%～6.7%。其中,因为冲击孔偏置,叶片2和3的冲击强化换热区域相对独立于叶片表面气膜覆盖区域,所以叶片2和3的综合冷却效率分布更为均匀,且大于叶片1。叶片0仅有气膜冷却结构,紧邻气膜孔出流位置冷却剂动能较大,在气膜孔出口下游冷却剂再贴壁形成热防护,使得距离气膜孔较远的区域冷却效率升高。在吹风比较小时：仅有正向冲击的叶片1相对于叶片0的综合冷却效率有所提高;由于偏置冲击消耗了更多了冷却剂动能,叶片2和3的综合冷却效率相对于叶片0明显降低,当吹风比为0.2时,二者分别下降了6.7%和11.6%。     

装配间隙泄漏流对透平端壁冷却影响的实验研究

为了研究叶栅装配间隙泄漏流对透平叶片端壁气膜冷却特性的影响,依据真实重型燃气透平叶片参数,搭建了端壁气膜冷却实验台。采用压力敏感漆技术测量了不同质量流量比和装配间隙角度下端壁的气膜冷却特性,使用压力扫描阀测量了主流进口雷诺数和叶片表面压力分布。通过数值计算模拟了实验叶片装配间隙的流动结构,得到了装配间隙冷气出流质量流量比及射流角度的气膜冷却特性。结果表明：在装配间隙冷气出流质量流量比为0.1%～1.0%的范围内,在相同射流角度下,增加装配间隙质量流量能够提升透平端壁气膜冷却有效度,并增大装配间隙下游出口气膜覆盖面积,冷气质量流量比为1.0%时端壁气膜冷却有效度达到最高。由于叶片端壁表面的压力梯度导致装配间隙出流集中在流道中部及出口位置。在研究的60°～90°射流角范围内,在相同质量流量比下,减小装配间隙射流角度能够有效提升端壁气膜冷却有效度,75°射流角相较于90°垂直入射条件下的气膜冷却有效度增加接近一倍;射流角为60°时端壁气膜冷却有效度达到最高。     

冲击孔偏置对静叶前缘和吸力面冷却性能的影响

采用流热固耦合方法数值研究了真实叶片材料热物性条件下叶片前缘冲击腔室内冷却射流的流动及换热特性。分析了冲击孔的偏置距离(2.5 mm、5.0 mm、7.5 mm和10.0 mm)及冲击冷气与主流的质量流量比(1.0%、1.5%、2.0%、2.5%和3.0%)对前缘面复合冷却性能、冲击靶面对流换热性能及吸力面气膜冷却性能的影响。研究表明：冲击孔偏置结构会对叶片前缘区域的冷却产生显著的影响,偏置距离较小时会削弱前缘面复合冷却性能及靶面对流换热性能,而偏置距离较大时能同时强化前缘面复合冷却性能及靶面对流换热性能,尤其是对靶面对流换热性能的提高效果非常显著。4个冲击孔偏置结构中,偏置距离最大的结构相较于无偏置结构的靶面平均努塞尔数最多提高了约33.97%;吸力面的气膜冷却性能大体上与冲击孔到吸力面气膜孔的周向距离呈现出负相关性,冲击孔距吸力面气膜孔越远,吸力面的气膜冷却性能越弱;相较于无偏置结构,冲击孔偏近及偏离气膜孔布置时吸力面平均气膜有效度最多分别提高了约5.56%和降低了约10.96%;当冲击冷气的质量流量比较小时,增大冷气的质量流量比能有效提高叶片前缘冷却性能。前缘面平均综合冷却效率、...     

叶片前缘扩张形孔气膜冷却特性的数值模拟

考虑曲率的影响下计算获得了叶片前缘带扩张形孔的气膜冷却特性,分析了平均吹风比对气膜冷却效率的影响,并与传统的圆柱形孔气膜冷却特性进行了对比.结果表明:与圆柱形孔相比,扩张形孔射流的覆盖面更宽,冷却效率更高.     

带槽双射流气膜冷却数值研究

针对双射流气膜冷却在提高气膜冷却效率中存在横向冷却效果不佳的问题,提出了一种带槽结构的双射流气膜冷却方式,即在气膜孔出口处垂直于流向横开一槽,并在平均吹风比为1.9时,采用CFX商用软件及剪切应力输运湍流模型对带槽双射流结构的流动与冷却特性进行数值研究,获得了横槽倾角对气膜冷却特性的影响规律。研究结果表明:在相同孔间距下,带槽结构能明显改善气膜在被冷却壁面的横向分布,增大气膜的横向覆盖面积,有效提高气膜冷却效率;不同的横槽倾角对气膜冷却效率具有重要的影响,倾角均为30°时的方案冷却效果最好;沿中心线远离气膜孔处出现未冷却区域,这可能与吹风比、横槽倾角、槽宽等参数有关。研究结果为射流冷却的流动与换热特性研究提供了参考依据。     

燃烧室出口旋流对静叶栅端壁流动型态和传热冷却特性的影响

贫油预混燃烧室出口的强旋流和温度不均匀特征向下游迁移,直接影响了下游涡轮静叶栅端壁的气动性能,进而改变了气膜冷却端壁的传热冷却特性。设计了具有典型速度和温度出口特征的燃烧室,与实验数据对比,验证了设计的燃烧室出口具有典型的旋流和温度分布特征。采用数值求解三维雷诺平均N-S方程和剪切应力传输湍流模型SST k-ω研究了燃烧室出口旋流对静叶栅端壁流动型态和传热冷却特性的影响。对比分析了燃烧室出口旋流核心与静叶栅沿栅距5个相对位置时气膜冷却端壁的流场型态和传热冷却特性。研究表明：当燃烧室出口旋流中心正对静叶片1时,马蹄涡压力面分支横向迁移被削弱造成滞止点向下游移动,端壁传热恶化,第3排气膜冷却射流被带离端壁,绝热气膜有效度降低;旋流中心正对静叶片2时,马蹄涡压力面分支裹挟第2排气膜冷却射流冲击吸力面,二次冷却效果提升的同时端壁面平均气膜有效度提高,最大值为0.148,无量纲面平均热通量减小了0.055 5。该研究揭示了燃烧室出口旋流对下游静叶栅端壁流场型态和传热冷却特性的影响机制,为端壁气膜冷却布局设计提供了一定的参考。     

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.     

透平动叶前缘冲击-气膜复合冷却与旋流-气膜复合冷却的热流耦合对比研究

为研究高效燃气透平叶片前缘冷却方式,针对GE-E3高压透平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,对比分析了冲击-气膜复合冷却和旋流-气膜复合冷却对动叶前缘复合冷却特性的影响。首先对5种湍流模型(标准k-ε模型、RNGk-ε模型、标准k-w模型、SSTk-w模型、SSTk-ωγ-Reθ转捩模型)在求解冲击-气膜复合冷却时的精度进行了考核,然后对网格无关性进行了验证,在此基础上详细对比分析了冲击-气膜复合冷却和旋流-气膜复合冷却条件下透平动叶前缘的综合冷却效率、流场结构和叶片前缘材料内部温度分布,并研究了质量流量比、气膜孔展向角度对叶片前缘冲击-气膜复合冷却和旋流-气膜复合冷却综合冷却性能的影响。结果表明:在计算范围内,任意冷气质量流量比和气膜孔展向角度下旋流-气膜复合冷却结构叶片前缘两侧的整体平均综合冷却效率均比冲击-气膜复合冷却结构的整体平均综合冷却效率高6%以上;冲击-气膜复合冷却和旋流-气膜复合冷却结构的动叶前缘平均综合冷却效率均随着冷气质量流量比的增大而增大。     

采用蒸汽冷却的各种燃气轮机循环性能分析

蒸汽冷却以其优异的传热性能有可能成为新一代的冷却技术,以提高燃气轮机的循环性能．以空气冷却为参照,对采用蒸汽冷却的各种燃机循环性能进行了计算分析．对透平膨胀过程中的传热和作功过程进行简化,建立了叶片冷却的计算模型;采用该模型对简单循环、ＳＴＩＧ和ＩＳＴＩＧ等循环方式中分别采用蒸汽和空气冷却时的性能进行了对比研究,并对在各种循环中蒸汽冷却的应用潜力进行了分析     

控制二次流发展的前伸小圆角端区流动控制机理

基于哈尔滨工业大学自主开发的带冷气叶片气动网格自动生成技术,通过Ansys公司下的CFX软件,对国产某型民用航空发动机高压涡轮第一级动叶进行设计。设计中采用了一种新型控制二次流发展的叶形,使用特殊前缘参数化设计方法。具体操作为叶片根部叶形前缘前伸,前缘修小圆,在前缘吸力面位置局部内凹,并沿叶高一定范围内进行光滑过渡,即形成根部区域修型,其他区域不变的新叶形。研究表明:采用此方法能够有效的降低由于叶片前缘马蹄涡造成的通道涡等涡系的尺度及强度,从而减少气动损失。     

气膜孔参数对气动及叶片温度的影响

为了设计一套满足传热及气动要求的涡轮叶片表面气膜孔方案,以某型涡轮第一级导叶为研究对象,对两种气膜冷却结构进行参数化设计。对冷却效果进行数值模拟,研究不同的气膜冷却方式在涡轮中对气动与叶片表面温度分布的影响。将两种冷却方式计算结果进行对比分析,结果表明：在相同边界条件下, 六列气膜孔结构可以减弱冷气射流冲量,减小与主流掺混时的损失,气动效率较四列气膜孔提高0.3%;六列气膜孔可增大冷气覆盖面积,同时有效防止射流穿透附面层进入主流,降低附面层扰动强度,削弱对上游气膜的影响,叶片表面无量纲温度降低了11.68%。     

涡轮叶片最小冷气需求量的一种估算方法

通过涡轮叶片内外表面对流换热与固体导热的耦合计算,建立叶片冷气流量与叶片壁面温度分布之间的关系,从而获得涡轮叶片最小冷气需求量。首先根据假定冷气流量进行耦合计算叶片温度分布,并从中获得叶片温度峰值;再依据这一温度峰值,逐步调整冷气进口流量,直到叶片温度场符合设计要求。计算得出叶片最小冷气量为燃气总量的4.43%,叶片最高温度为1 299.11K。结果表明采用本文的方法估算的燃气涡轮叶片的冷却空气量是合理的。     

风电机组叶片流固耦合的数值模拟方法

 以某5 MW 风电机组叶片模型为对象,研究一种适用于风电机组叶片流固耦合数值模拟的风轮旋转模拟方法。以风切变形式模拟风轮旋转及来流风速的综合效应,对叶片各截面翼型的扭角进行修正,建立风电机组叶片的风轮旋转模拟模型,利用有限元法模拟风电机组叶片的风洞流场实验,仿真模拟旋转效应下风电机组叶片的周围气压、绕流分布、表面压力及结构位移,并进行数据交叉迭代求解,得到风电机组叶片的流固耦合结果。与额定风速均匀来流条件下的初始模型计算结果和文献实验结果进行对比分析,验证了风轮旋转模拟方法的可行性。     

叶片气膜孔加工缺陷的DR数字成像自动检测方法

气膜孔作为涡轮叶片中重要的冷却结构之一,对提高航空发动机冷却效率、降低燃烧室温度乃至提升发动机服役寿命等具有重要意义.然而,在实际加工过程中受外界因素干扰极易出现气膜孔未打通、打偏及损伤内壁等内部缺陷.传统检测手段采用单一透照角度的X射线胶片照片法对其内部缺陷进行识别,但存在检测效率低、测量误差大、缺陷漏检误判率高等弊端.为此,提出了一种基于X射线数字成像技术的气膜孔缺陷自动检测方法,通过研究DR数字图像与胶片图像的等效性、透照角度对缺陷识别的影响规律及检测工艺优化、基于深度学习神经网络缺陷自识别等关键技术等,实现对叶片气膜孔加工缺陷的高精度检测与智能识别.     

扇形气膜孔几何参数对气膜冷却效率的影响

气膜冷却技术广泛应用于航空发动机火焰筒、涡轮叶片等热端部件的冷却。与常规圆柱形气膜孔相比,扇形气膜孔冷却效率更高。为更全面的掌握在典型大涵道比商用航空发动机燃烧室火焰筒工作环境下扇形气膜孔气膜冷却效率随几何参数和吹风比的变化规律,采用数值模拟方法研究了扇形气膜孔的流动和换热,分析并讨论了气膜孔板厚度、气膜孔出口宽度、气膜孔入口圆柱段长度、气膜孔倾斜角以及吹风比对扇形气膜孔下游流场和热侧面气膜冷却效率分布的影响。结果表明：在小吹风比条件下,几何参数的变化对冷却效率影响很小;而当吹风比较大时,冷却效率随几何参数的变化规律可能受其他几何参数的交叉影响;几何参数的变化将诱发不同的卵形涡结构,从而对气膜孔下游的冷却效率分布造成较大的影响。     

发动机叶片电解加工电解液流动方式优化及试验

提出新的主动控制的电解液流动方式,在该方式中,电解液从缘板两侧流入,分别流经叶盆、叶背流道.建立了流场数学模型,用有限元方法对流动方式进行分析,并与传统侧流式流动进行了对比,分析表明采用该主动控制型流动方式有助于流场的均匀稳定.为了验证该流动方式的合理性,进行了叶片电解加工对比试验.试验表明:与传统流动方式相比,采用新的主动控制流动方式,叶片的表面粗糙度从1.87提高到0.38,同时加工精度也提高了0.05mm,说明该流动方式设计合理,有利于提高叶片加工精度和表面质量.     

交错肋结构涡轮叶片内部冷却通道的流动换热特性研究

利用数值模拟方法研究了交错肋结构涡轮叶片内部冷却通道的流动换热特性,分析了交错肋冷却通道的流动换热机理。交错肋结构在明显提高通道冷却性能的同时也带来了较大的流动损失,随着肋倾角、肋宽的增大,通道的换热能力增强,阻力损失增大;随着肋间距的增大通道的换热能力降低,阻力损失减小。利用瞬态液晶实验技术对交错肋冷却通道进行实验研究,进一步分析了交错肋冷却通道的流动换热机理,并验证了所采用的数值模拟方法是可行的。