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.     

新型双工质平面叶栅冷却试验风洞设计

针对重型燃气轮机高温涡轮叶片的双工质冷却技术,设计建造了研究双工质冷却新原理,高效气膜冷却机理及叶片综合冷却特性的叶栅试验平台。该平台由压缩机、蒸汽发生器分别提供空气源和蒸汽源,可以进行叶片双工质冷却情况下的叶片综合冷却特性研究及相关扩展研究。从而揭示叶片内冷却工质的流量压力分配关系,气膜冷却效率以及叶片特定冷却结构下的综合冷却特性,为新型双工质冷却叶片的设计提供试验验证支持。     

复合冷却涡轮导叶的气热耦合数值模拟

采用气热耦合方法对高压涡轮一级导叶带全气膜冷却、冲击冷却和尾缘劈缝冷却的复合冷却结构进行了数值模拟。分析了带复合冷却结构叶片的三维温度场,主要研究了主流燃气雷诺数、冷气与燃气的流量比和燃气与冷气的温比对叶片温度和冷却效果的影响。结果表明:随着流量比增大,叶片前缘壁面平均温度先增后减,压力面和吸力面温度均减小。叶片壁面各处平均温度随温比增大而降低,受雷诺数影响很小。叶片综合冷却效果随流量比增大而增大,受温比和雷诺数影响很小。     

燃气透平气固双向耦合湍流场中叶片冲蚀的数值模拟

在对双级跨音速燃气透平三元黏性湍流场进行数值模拟的基础上,采用颗粒随机轨道模型和气固双向耦合的PSIC法求解了10万个颗粒直径分布为5~50 mm (体积分数为4.19×10-5 %)的运动轨迹,以冲蚀率统计模型分析了叶片冲蚀率分布、冲蚀率数值及影响因素等,计算结果比较符合叶片的实际冲蚀情况.     

叶片进口安放角对液力透平性能的影响

针对叶片进口安放角对液力透平性能影响规律认识不足的问题,架设一开式液力透平实验台,对一单级蜗壳式液力透平进行实验研究.采用结构化网格技术对该液力透平进行全流场数值计算与分析,将数值结果与实验结果相结合,验证数值计算的准确性.对不同进口安放角的叶轮进行数值研究.研究结果表明:随着叶片进口安放角的增加,液力透平小流量工况的效率有所下降,大流量工况的效率有所增加;透平的扬程和轴功率随着进口安放角的增加而增加;叶轮内部的功率损失是透平内部主要的功率损失;当叶片安放角增加时,小流量工况的功率损失有所增加,大流量工况下的功率损失有所减小;大流量工况下随着叶轮进口安放角的增加,进口液流冲角逐渐减小,因此,透平在大流量工况下功率损失减小,效率提高.     

低压透平叶片流动分离主动控制的数值研究

基于Langtry-Menter转捩模型的Menter SST两方程模型,通过数值求解了三维非定常雷诺时均Navier-Stokes方程,研究了雷诺数(Re)和来流湍流强度(IFSTI)对Pak-B低压透平叶片吸力面流动分离的影响.计算结果表明:该湍流模型能够较好地预测低压透平叶栅内流动特性,并能有效捕捉到叶片吸力面上流动分离和再附位置;随着Re和IFSTI的增大,叶片吸力面流动分离均有大幅度的减少.在Re和IFSTI较低的条件下,数值分析了涡流发生器(VGJ)对低压透平叶片表面流动分离的控制效果,结果表明:VGJ的引入能够有效抑制甚至消除低Re条件下叶片吸力面上的流动分离,减小总压损失和尾迹宽度.在VGJ流动控制中,存在着最佳吹气比,由此可获得最佳的流动控制效果.吹气比太小,不能有效抑制流动分离;吹气比太大,射流与主流掺混加剧,流动损失增加.当VGJ吹气比为2时,流动控制效果最佳,相对于无VGJ控制时的总压损失减少了45%.     

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。     

有机工质透平膨胀机喷嘴的响应面分析优化

为了提高有机工质膨胀机的性能,建立了喷嘴型线优化设计平台,并以喷嘴叶片损失系数为性能指标、以喷嘴型线5个控制点的距离参数为设计变量进行了有机透平膨胀机喷嘴的试验设计。采用响应面方法分析了叶片损失系数随型线控制点的变化,揭示了叶片损失系数对喷嘴型线变化的敏感性。研究结果表明:叶片压力面后段、叶片压力面中部、叶片吸力面后段均存在最佳型线,使喷嘴的叶片损失系数较小;在喷嘴的设计过程中,减小喷嘴前段和中段的厚度,可以有效降低喷嘴损失系数;叶片吸力面中段型线的改变对叶片损失系数的影响较大,叶片压力面中段型线的变化对喷嘴损失系数的影响最小。相对于原型喷嘴,采用最优喷嘴型线后叶片损失系数下降了10%。该研究不仅获得了使叶片损失系数较小的喷嘴型线,还能揭示影响喷嘴性能指标的关键因素。     

叶片前缘旋流蒸汽冷却流动和传热的数值研究

通过求解三维Reynolds-Averaged Navier-Stokes方程和标准k-ω湍流模型,数值研究了旋流蒸汽冷却的基本原理,分析了冷气雷诺数和来流温比对流动和传热特性的影响,旨在阐明旋流蒸汽冷却的原理,总结其流动传热的变化规律。在此基础上对无量纲换热系数Nu、雷诺数Re和来流温比φ进行数值拟合,得到旋流蒸汽冷却的传热关联式。研究表明:冷气在旋流腔内的高速转动引起强烈的径向对流运动,使得换热增强;增大雷诺数能够增大冷气的涡量,有效提高旋流腔的换热系数,同时降低阻力系数;增大来流温比使得冷气的涡量增大密度减小,旋流腔的换热系数略有减小,阻力系数显著降低;综合换热因子随着雷诺数的增大而增大,随着来流温比的增大而减小;拟合的传热关联式与数值计算结果吻合良好,可以准确地预测蒸汽旋流冷却的换热系数。     

现代汽轮机叶片阻尼结构形式设计方法的研究

为了提高叶片的安全性,现代汽轮机叶片尤其是长叶片在设计中较多地采用了阻尼结构,增加叶片的阻尼以降低叶片响应,从而降低叶片的动应力．通过对叶片阻尼结构的分析研究,提出了汽轮机叶片获得最佳阻尼的阻尼结构设计方法,即首先通过一系列动力计算获得对应叶顶响应最小的最佳摩擦面正压力,再由静力分析获得其最佳阻尼,使得在现有结构下其动应力最小．分析了一个工程中实际使用的阻尼叶片,获得了它的最佳摩擦面正压力及最佳阻尼设计间隙．     

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     

科氏力对高速旋转汽轮机叶片动态特性的影响

采用解析的方法，建立了高速旋转汽轮机叶片中科氏力和科氏动应力的计算模型。该模型克服了以往在叶片动态特性分析时难以考虑科氏力影响的问题，导出了科氏动应力和非稳态气流动应力比值的计算公式以及科氏力和离心力比值的计算公式，并进行了实例分析．计算结果表明，科氏力对叶片轴向振动和扭转振动的固有频率没有影响，对切向振动的影响很小，可以忽略不计；科氏力所产生的动应力不到非稳态气流动应力的1%。     

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.     

航空发动机涡轮叶片振动模态影响因素研究

分别考虑离心力场、气动力场、温度场及热力场等因素的影响,使用有限元分析软件ANSYS,对某型航空发动机涡轮叶片工作状态下的振动模态进行分析,并将不同情况下的计算结果与室温静止状态进行比较,发现温度场及离心力场是影响叶片固有振动频率的主要因素,但对叶片的振型影响很小。然后,综合考虑温度场及离心力场的作用,对叶片进行了包含预应力的热固耦合模态分析,得到了叶片工作状态下的固有振动频率及振型。所得结论对航空发动机叶片的设计、改型及使用具有重要的理论意义和工程应用价值。     

燃气轮机火焰筒肋化壁面逆流气膜冷却的数值模拟

针对燃气轮机火焰筒肋化壁面逆流气膜冷却的问题,建立了火焰筒内壁面冷却传热的流固耦合数学模型.考虑湍流切应力的传播,近壁利用k-ω模型的鲁棒性,捕捉黏性底层的流动.主流区域利用k-ε模型避免k-ω模型对入口湍流参数过于敏感的劣势.SST k-ω模型是用混合函数将k-ω模型和k-ε模型结合互补所取得的更适合本问题的湍流模型.数值分析结果清晰展示了计算域流体的流场、温度场及火焰筒肋化壁面的温度场分布,并与文献中的实验结果符合良好.     

Hot Corrosion of Plasma Sprayed Coatings for Waste Gas Turbine Blades

High temperature corrosion tests in 75%Na2SO4-25%. NaCl molten salt have been conducted on waspalloy specimens plasma sprayed with Co-Cr-B-Si, Ni-Cr-B-Si-hCr3C2, X-40, X-40 + TiC and Ni/Al + Al2O3 coatings, test coupons were exposed isothermally at 750℃up to 200 h. After the corrosion tests, each sample was examined by OM, SEM and EMPA. It was found that X-40, X-40 + TiC and Ni/Al + Al2O3 were violently corroded by the molten salt due to cracking and spalling of the coatings, whereas the Co-Cr-B-Si and Ni-Cr-B-Si + Cr3C2 exhibited superior corrosion resistance, which were thought to be related to the formation of chromium and silicon oxide film. A possible corrosion mechanism had been proposed and it is suggested that the excellent corrosion resistance and high hot-hardness of the two B-Si containing coatings may be of significance for applications in petroleum refining industry as protective coatings of power generating turbine blades which are used under severe corrosion/erosion conditions.     

整体叶盘约束状态对叶片模态影响程度的研究

研究了某型发动机整体叶盘在不同约束状态下叶片模态参数的变化情况。利用有限元软件对整体叶盘进行了振动特性分析,并基于变截面伯努利梁的模态分析揭示出叶片模态随盘体刚度变化的规律;同时,就盘体自由和中心固定两种状态对叶片完成了模态试验。试验结果与仿真分析相符,说明了该型发动机整体叶盘盘体约束状态的变化对叶片模态参数的影响甚微。同时指出,当整体叶盘盘体刚度比叶片大到一定倍数时,叶片的模态即可认为是相对独立的。     

汽轮机叶片三维有限元分析后处理

提供了一种把汽轮机叶片三有限元分析结构可视化的处理方法，其中包括有限元网格图、应力等值线图、应力彩色云图、三维实体剖面图以及叶片变形和振型图等的生成和绘制方法，并提供了一个真实叶片的有限元后处理分析结果。