进口端壁不重合对跨声速透平叶栅端壁流动和传热特性影响的研究

为了评估燃气轮机燃烧室出口与透平第一级喷嘴导向叶栅端壁不重合对叶栅端壁热负荷分布和运行寿命的影响,采用商用CFD软件ANSYS FLUENT数值研究了进口端壁不重合度(进口后向台阶结构)对跨声速叶栅端壁流动和传热特性的影响规律。计算了进口湍流强度Tu1=16%、出口马赫数Ma2=0.85时,2种进口后向台阶高度(0、6.78mm)下,跨声速叶栅端壁传热系数,并与实验结果进行了比较,验证了所提基于RSM(Reynolds stress model)湍流模型数值方法的准确性。分析了6种进口后台阶高度(0、1.5、3、5、6.78、10mm)下的跨声速叶栅端壁热负荷分布、近端壁二次流结构、后台阶涡系发展和气动损失。研究结果表明:由于进口台阶结构的影响,在叶片前缘上游区域形成了显著的再附着涡、空腔涡和辅助涡等复杂的后台阶流涡系;后台阶流再附着涡系使叶片前缘上游区域形成显著的高传热区;随着进口台阶高度的增大,该高传热区控制面积和传热系数均逐渐增大,最大传热系数增大了90%～160%,高传热区的位置逐渐向下游移动,形状逐渐由节距方向的"条形"演变为"C"字形,两端向叶栅通道内部迁移;进口台阶结构导致叶栅通道总压损失系数增大了0.17%～0.45%,台阶高度为3mm时,总压损失系数最大。     

进口端壁不重合对跨音速透平叶栅端壁流动和传热特性影响的研究

为了评估燃气轮机燃烧室出口与透平第一级喷嘴导向叶栅端壁不重合对叶栅端壁热负荷分布和运行寿命的影响,采用商用 CFD 软件 ANSYS FLUENT 数值研究了进口端壁不重合度（进口后向台阶结构）对跨声速叶栅端壁流动和传热特性的影响规律。计算了进口湍流强度 Tu1 = 16%、出口马赫数 Ma2 = 0.85 时,2 种进口后向台阶高度（0 mm, 6.78 mm）下,跨音速叶栅端壁传热系数,并与实验结果进行了比较,验证了所提基于 RSM（Reynolds stress model）湍流模型数值方法的准确性。分析了 6 种进口后台阶高度（0 mm、1.5 mm、3 mm、5 mm、6.78 mm、10 mm）下的跨音速叶栅端壁热负荷分布、近端壁二次流结构、后台阶涡系发展和气动损失。研究结果表明：由于进口台阶结构的影响,在叶片前缘上游区域形成了显著的再附着涡、空腔涡和辅助涡等复杂的后台阶流涡系;后台阶流再附着涡系使叶片前缘上游区域形成显著的高传热区;随着进口台阶高度的增大,该高传热区控制面积和传热系数均逐渐增大,最大传热系数增大了 90%~160%,高传热区的位置逐渐向下游移动,形状逐渐由节距方向的“条形”演变为“C”字形,两端向叶栅通道内部迁移;进口台阶结构导致叶栅通道总压损失系数增大了 0.17%~0.45%,台阶高度为 3 mm 时,总压损失系数最大。     

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。     

透平叶片近前缘端壁处换热性能的研究

采用计算流体动力学软件ANSYS CFX11.0、以NASA跨声速透平第一级动叶为研究对象,对带气膜冷却孔的叶栅近前缘端壁区域的流动和换热特性进行了研究,计算获得了3种气膜孔分布条件下,吹风比分别为0.3、0.5、0.7以及孔径分别为1mm、1.5mm时叶栅端壁处的流场结构和斯坦顿数分布。计算结果表明:气膜孔的数目及分布对端壁换热性能和换热均匀性有显著影响,减小孔间距与孔径的比值可以降低前缘端壁的换热系数、提高端壁换热的均匀性;吹风比对冷却流的作用范围和贴壁性有很大影响,所研究的3种吹风比中,吹风比为0.5时壁面换热系数最小,吹风比为0.7时换热系数最大;当吹风比保持0.5不变且气膜孔的直径由1mm增大到1.5mm时,冷却流在端壁上影响的距离增加,相邻冷却流之间区域的换热强度降低。该结果可为透平动叶端壁换热特性的改善和气膜冷却特性的提高提供参考。     

间隙射流对端壁气膜冷却性能影响的实验研究

为了研究叶栅上游间隙射流对扇形叶栅端壁气膜冷却性能的影响,自主设计并搭建了考虑环形叶栅效应的扇形叶栅试验系统,利用红外测温技术,实验研究了上游间隙射流对扇形叶栅端壁气膜冷却性能的影响,测量了不同间隙射流质量流量比和不同间隙射流角度条件下扇形叶栅端壁气膜有效度。实验结果表明:间隙射流能够对端壁前部区域形成一定的冷却保护,端壁二次流结构对于冷却气膜具有较大的影响,使得冷却气膜主要集中在叶栅通道前部端壁区域且靠近叶片吸力面的区域,而对于叶栅通道靠近叶片压力面侧几乎没有保护作用;随着间隙射流质量流量比的增加,端壁气膜有效度提高,气膜分布范围增大,减小间隙射流角度可有效提高冷却射流对端壁的气膜冷却作用;射流质量流量比为1.0%、1.5%、2.0%时,间隙射流角度由45°增加至90°使端壁气膜有效度最大降低了17%、15%和13%。     

槽缝射流对环形叶栅端壁气膜冷却性能影响的实验研究

为了研究槽缝射流对环形叶栅端壁气膜冷却性能的影响,建立了考虑槽缝射流的环形叶栅端壁气膜冷却实验平台。在不同质量流量比条件下,利用红外测温技术研究了槽缝结构形式(均匀槽缝、收缩槽缝)对不同射流角下端壁气膜冷却效果的影响。结果表明:提高槽缝射流的质量流量比,可增强对叶栅端壁的气膜冷却效果。与原始均匀槽缝相比,收缩槽缝由于提高了槽缝射流出口的动量,能够显著提高不同射流角下的端壁气膜冷却性能,且明显扩展了气膜覆盖范围。与45°射流角相比,90°射流角时由于前缘涡系增强,槽缝射流所产生的端壁气膜冷却效果有所减弱。90°射流角时,采用收缩槽缝所带来的气膜冷却性能提升比45°射流角时更显著。     

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。     

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%。     

槽缝射流旋流比和密度比对涡轮端壁冷却和吸力面泛冷却性能的影响

针对上游槽缝射流对涡轮端壁冷却性能影响的问题,同时考虑到涡轮端壁的气膜孔射流和叶栅通道间隙泄漏流同样对端壁及叶片吸力面存在冷却效果,采用数值求解三维Reynolds-Averaged Navier-Stokes(RANS)方程和SST k-ω湍流模型的方法,研究了带预旋上游槽缝射流0.4、0.6、0.8和1.0这4种旋流比和1.0、1.5和2.0这3种密度比对端壁冷却及叶片吸力面泛冷却(二次冷却)性能的影响特性。结果表明:密度比较小时,减小旋流比导致端壁冷却效果降低;密度比较大时,端壁冷却效果随旋流比减小先降低后升高,最低值出现在旋流比为0.8。随密度比的增加,冷却射流对端壁的冷却效果不断降低,冷却效率最低值随旋流比的增加向下游移动。随旋流比增大,槽缝射流对叶片吸力面泛冷却覆盖面积逐渐减小,位置向下游及靠近端壁的方向发展,泛冷却效率不断降低。随冷却射流密度比的增加,吸力面泛冷却面积显著减小,且向靠近端壁的方向移动,泛冷却效率降低。     

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。     

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.     

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。为更全面地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。     

小展弦比叶栅非轴对称端壁造型及气动性能的数值研究

提出了基于双控制型线的非轴对称端壁造型新方法,并在某小展弦比叶栅的上下端壁上完成了非轴对称端壁造型设计.采用数值求解Reynolds-Averaged Navier-Stokes(RANS)和考虑转捩模型的SST湍流模型对轴对称端壁原始叶栅和非轴对称端壁叶栅进行了详细的流场特性分析,结果表明:所提方法可以有效减少进入叶栅通道涡的低能流体,从而抑制了通道涡的发展,减少了二次流损失.由于叶栅展弦比较小,所以非轴对称端壁会影响到整个流场,使得出口气流角在整个叶高范围内有所增大,中叶展处叶片负荷下降,型面损失减少.与轴对称端壁原始叶栅相比,非轴对称端壁叶栅效率提高了0.22%,从而验证了所提方法的有效性.     

透平叶栅非轴对称端壁优化设计

为减小透平叶栅二次流损失、提高气动效率,建立了结合透平叶栅非轴对称端壁造型双控制型线参数化方法、全局优化自适应差分进化算法和基于Reynolds-Averaged Navier-Stokes(RANS)方程求解技术的叶栅气动性能评价方法于一体的透平叶栅非轴对称端壁优化设计体系,同时验证了全局优化自适应差分进化算法和透平叶栅气动性能评价方法的可靠性和准确性。以透平叶栅总压恢复系数最大化为优化目标,在出口气流角和质量流量的约束及叶栅非轴对称端壁三维参数化控制点共20个设计变量下,完成了透平叶栅非轴对称端壁造型优化设计。研究结果表明,优化后得到的非轴对称端壁造型可有效减少透平叶栅的二次流损失,使叶栅总压恢复系数提高0.25%,证明所提出的设计体系是有效的,可为透平叶栅非轴对称端壁优化提供设计工具。     

射流角和质量流量比对涡轮端壁气膜冷却特性的影响

为了提高实际燃机涡轮端壁的气膜冷却效率,对某航空发动机涡轮静叶端壁的气膜冷却特性进行了数值模拟研究。首先采用实验结果对湍流模型进行了校核,并验证了所研究模型的网格无关性,在此基础上研究了端壁离散气膜孔的气膜冷却特性,并采用给定实验端壁热流输入条件计算了整个端壁的换热特性;分析了5种冷气质量流量比(1.4%、2.1%、2.7%、3.1%、3.8%)和5种气膜冷气射流角度(20°、25°、30°、35°、40°)下端壁离散气膜孔的流动特性、气膜冷却特性以及换热特性。计算结果表明:相同射流角(40°)条件下,冷气质量流量比为1.4%时,端壁平均气膜冷却效率达到0.21;继续增大冷气质量流量比会导致气膜脱离端壁表面,使得端壁整体的气膜冷却效率下降;随着冷气质量流量比增加,叶栅通道总压损失增加,强化了气膜孔出口处的气流掺混,增加了换热效率;受到端壁二次流以及原有气膜孔结构的影响,气膜冷气射流角度为20°时冷却效果最佳,在相同质量流量比(1.4%)条件下,端壁平均气膜冷却效率达到0.27;减小射流角度对端壁表面换热强度改变较小。     

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。     

透平动叶多凹槽叶顶气膜冷却特性的研究

为了提高透平动叶叶顶的气膜冷却性能，并降低由叶顶泄漏流引起的泄漏损失，开展了多凹槽叶顶气膜冷却特性研究。采用试验测试和数值模拟相结合的方法，研究了燃气透平动叶不同结构多凹槽叶顶的气膜冷却特性与气动特性，其结构包括单凹槽、二凹槽、三凹槽和四凹槽4种叶顶形式。在主流进口雷诺数为1.75×10⁵条件下应用压力敏感漆技术获得了1.0、1.5和2.0等3种吹风比下多凹槽叶顶表面的气膜冷却有效度分布，并采用经过校核的数值方法辅助分析了叶顶间隙内的流场结构及其气动性能。结果发现：多凹槽叶顶内的肋片改变了叶顶的流场结构，阻挡了冷气向下游发展。相比于传统的单凹槽叶顶，四凹槽叶顶在吹风比较大时能够提高叶顶中部的冷却效果，但在叶顶中后部依旧是单凹槽叶顶的冷却效果最好。同时，多凹槽叶顶能够显著降低叶栅的气动损失，相比于传统的单凹槽叶顶，二凹槽、四凹槽叶顶总压损失系数值分别降低了17.9%、20.9%。     

上游横向间断肋布置方式对气膜冷却性能的影响

为了采用气膜冷却来保护燃气轮机叶片免受高温侵蚀,针对进一步提高气膜冷却效率、减少冷却空气消耗量的需求,提出了带有上游间断肋的气膜冷却结构。采用k-ε湍流模型数值研究了带有上游横向肋结构的气膜冷却性能,分析了横向无间断肋、两侧间断肋、间断数段肋和中间间断肋这4种上游不同横向肋布置方式对气膜冷却流动的影响,比较了4种结构的气膜冷却效率和换热系数。结果表明:横向肋对下游冷气的卷吸能力与肋片长度有关,与肋片的布置方式无关;不同肋片布置方式会产生不同的涡结构,即中心间断肋会诱导主流产生一个与肾形涡旋转方向相反的涡对,从而增加冷却射流的展向扩散,有利于提高下游气膜冷却性能,而两端间断肋会诱导主流产生一个与肾形涡旋转方向相同的涡对,该涡对会进一步抬离冷却射流,降低下游气膜冷却性能;在气膜孔上游布置中心间断肋能提供最高的展向平均绝热气膜冷却效率和实际热降值。     

叶顶形状对动叶顶部流动和传热的影响研究

应用数值方法和标准k-ω湍流模型,研究了燃气轮机轴流透平不同叶顶密封方式对透平动叶顶部间隙内流动与传热的影响.计算叶型采用GE-E3发动机高压透平第一级动叶片,考虑了4种不同的叶顶密封方式.详细分析了不同叶顶密封时叶项的流动结构和传热分布.研究了旋转对动叶顶部流动和传热的影响,并与静止的平面叶栅中获得的结果进行了对比.结果表明:不同叶顶密封方式对叶顶间隙泄漏流场影响很大;双侧肩壁密封具有最好的密封性能,而压力面肩壁密封性能最差;采用吸力面肩壁密封获得了最低的叶顶传热系数,压力面侧肩壁密封的叶顶传热系数则最高;相对于静止叶栅,旋转改变了叶顶泄漏流动结构,增加了叶顶的传热系数.     

大负冲角下叶栅二次流特性的可视化实验研究

用表面油膜法在大负冲角下对透平叶栅的不同栅距、不同进气压力下的流场二次流特性及其涡系结构进行了可视化实验研究,分析了各个工况下叶栅端壁及叶栅型面的流动,揭示了在不同栅距及不同进气压力下叶栅的二次流特性,有助于对叶栅二次流在不同情况下的变化规律及其损失产生的原因作进一步的了解,文中观察到的流动现象是对以往叶栅二次流模型的补充和完善．