基于参数化建模的涡轮叶片气热耦合分析方法研究

气冷涡轮的出现使得航空发动机涡轮前温度可以进一步提高,促进了高性能航空发动机的飞速发展。然而随着复杂的内部冲击、扰流强化换热、对流气膜、致密气膜喷淋等冷却形式在涡轮部件上得到应用,冷气与燃气之间的相互作用也越发复杂。为对复杂冷却涡轮叶片的流动和传热耦合影响进行快速、精细化评估,本文建立了一种参数化建模方法,针对GE E3高压涡轮一级导向器进行高保真几何建模和气热耦合仿真。分析结果表明,该参数化建模方法可实现复杂气冷涡轮叶片的高保真几何建模,获得较高的气热耦合计算精度。同时通过详细分析获得了大量的涡轮叶片内部流动换热细节,可支撑高温涡轮叶片的精细化设计。

涡轮叶片气热耦合壁温及压力分布计算与分析

针对气冷涡轮叶片建立了耦合分析数值模拟计算平台,采用气热耦合的方法,对径向气冷MARKⅡ型叶片进行三维气热耦合数值模拟。分析了该内冷涡轮叶片的多场耦合特性,并将计算结果与试验值进行对比。对比结果表明:湍流模型的选择影响叶片表面的温度分布,但对叶片表面压力分布影响较小;在选择的6种湍流模型中,SSTk-ω湍流模型对该流场状态模拟的效果较好,叶片表面温度和压力与试验结果最接近,满足工程上的计算要求。考虑涡轮进口总温径向不均匀时,会在叶片尾缘形成局部高温区,增加了叶身的温度梯度,可适当改进冷却方式,以提高叶片强度。

气热耦合条件下涡轮动叶叶型与冷却结构优化

为改善叶片表面温度场,提高叶片气动效率,对燃气涡轮动叶进行了针对叶型以及冷却结构的气热耦合优化。优化结果表明:对冷却结构以及叶型优化后,叶片表面最高温度降低13.64K,平均温度降低6.46K,尾缝冷气出口温度提升6.81K,尾缝出口马赫数由0.24增大至0.30,高温函数降低85.20%,气动效率提高0.58%。通过分析,对该涡轮动叶,尾缘第三腔冷气流动速度的增大及第三腔叶顶冷气低速漩涡区的缩小是减小叶片表面温度的主要因素;型面压差减小导致横向二次流损失的降低及三个截面马赫数减小导致的激波损失降低是减小气动损失的主要因素。

高压燃气涡轮径向内冷叶片气热耦合的数值分析

采用气热耦合方法对采用径向内冷方式的MarkII型跨声速高压燃气涡轮金属导叶进行数值模拟,通过分析叶片通道内的传热和流动过程发现叶片表面附面层内流动非常复杂,包含层流流动、转捩和湍流流动状态,所以只有使用转捩模型计算的叶片附面层内流动与实际情况相符,叶片壁面温度和换热系数分布与实验结果吻合的较好,使用其他湍流模型由于不能准确描述附面层内流动而使得计算结果误差相对较大,但是所有的湍流模型都能很好的模拟附面层以外流动.

涡轮叶片气热耦合数值模拟方法

研究了气热耦合计算模型,建立了采用有限差分方法进行涡轮气热耦合计算的数值仿真平台,并利用该平台采用考虑转捩和不考虑转捩两类湍流模型对具有径向冷却通道的MARK II型叶片进行数值模拟,同时将结果与实验值进行比较,对比表明:考虑转捩的湍流模型能够准确的反映出边界层内的流态和热传导情况,因此壁面处温度和换热系数更接近于实验值,与实验值吻合较好。

气热耦合条件下涡轮静叶三维优化

为解决涡轮静叶尾缘烧蚀问题并提升气动效率,采用气热耦合优化的方法对该叶片进行优化,优化分为对叶型优化以及对弯叶片优化两部分。优化结果显示,对叶型进行优化时由于叶型变化以及冷气流量增加2.68%导致叶片平均温度降低4.15%,最高温度下降61.7K,气动效率提升0.17%;对弯叶片进行优化时,顶部正弯效果明显,冷气流量增加0.11%,叶片平均温度下降2.4%,最高温度下降10.6K,气动效率提升0.16%。通过分析,对于该径高比较小的叶片,无论是叶型变化还是弯叶片变化,低能流体由端区进入主流导致的端区损失降低和激波损失的降低是导致气动效率提升的主要原因;冷气流量加大以及端区二次流减弱是造成叶片温度场降低的主要原因。

气热耦合多孔气膜冷却流动的数值研究

对具有气膜冷却的某涡轮叶栅,提取中部截面型线进行了平面叶栅的气热耦合数值模拟,研究了多孔射流气膜冷却流动的特点。主流与固壁气流耦合计算表明,冷却气流在冷却腔内的流动过程中,被固体壁面加热,在喷射入主流场之前温度升高幅度较大,使得沿程后部的冷却效果减弱,同时研究了多射流孔附近区域三维定常流动的流场。

涡轮叶栅气热耦合数值模拟

本文建立了透平机械叶栅流场与叶片温度场的气热耦合计算模型,编制了三维非正交曲线坐标系下的温度场求解程序,计算了实心及空心叶片的温度场分布。介绍了区域分解方法在耦合计算及并行计算中的应用,以矩形区域温度场求解程序为例研究了程序的并行化,最后进仃了叶栅流场计算与叶片导热计算程序的分区耦合计算。

基于Gama-Theta转捩模型的气冷涡轮气热耦合研究

基于非结构化混合网格,采用有限体积法求解了N-S方程,对流项格式为AUSM+,梯度的求解方法为加权最小二乘法,求解器采用LUSGS隐式求解方法,并进行了预处理和网格重排序。与导热方程耦合,搭建了气热耦合平台,采用直接耦合方法,交界面互相传递温度,并且采用能保证通量守恒的面积加权类的插值方式实现数据传递,将γ-Reθt两方程转捩模型应用在流场程序中。通过MARKII叶片4311和5411工况的实验结果进行了验证,结果表明采用转捩模型对压力分布的影响不大,与实验值吻合较好,通过间歇因子的分布可以看出,γ-Reθt模型成功地预测了从层流到湍流的转捩过程,在层流区采用γ-Reθt模型计算的涡粘系数与真实流动情况更加吻合,由于涡粘系数对传热的影响很大,从而有效地提高了边界层的层流区和转捩区的传热计算的精度,得到的温度和换热系数与实验值吻合更好,但是该模型是和SST模型耦合在一起的,由于SST模型的局限性,所以对激波和边界层干扰区域的模拟产生了7%左右的温度误差。

内冷涡轮叶栅三维气热耦合数值模拟

为了研究涡轮动叶的内部冷却技术,对采用绝热边界的实心叶片、采用气热耦合的实心叶片和采用气热耦合的空冷叶片进行了研究.发现叶片导热对叶片温度场的影响相当显著;具有带肋蛇形通道和涡流矩阵肋片的内冷结构能使叶片温度大幅下降,但叶片表面温度分布不均匀性增大,换热系数沿叶片表面呈不规则分布.

提高气冷涡轮气热耦合计算精度的措施

温度场计算的准确性对气冷涡轮的设计影响极大.实际的气冷涡轮在运行状态下,存在多种物理现象:冷气带来的燃气组分变化、湍流、转捩、温度边界层的发展变化、热辐射等.而在数值计算中,计算结果也要受到网格质量的影响.采用自编程序、商业CFD软件对某两级气冷涡轮、C3X以及MARKⅡ叶片进行计算,分别描述冷气组分变化、计算网格、湍流模型以及转捩温度场模拟精度的影响;同时定性分析温度边界层复合性质与辐射换热对温度计算的影响.得出在气热耦合计算中,考虑上述因素的影响是很有必要的。

气冷涡轮叶片气热耦合数值模拟研究

采用气热耦合计算方法进行气冷涡轮气动性能-传热分析,这种方法无需指定对流换热系数和热流密度等经验参数,只须要给出气流与固体之间的流动换热物理条件。利用该方法对某三维涡轮导叶进行数值模拟,计算结果表明,气热耦合计算的叶片温度场更接近真实情况,针对该叶片尾缘烧蚀问题,利用气热耦合计算方法,研究了叶片尾缘冷却设计方案,通过对在尾缘开缝冷却方案的分析计算,结果表明,该设计方案可以使得尾缘最高温度下降了130K。

涡轮叶栅气热耦合数值方法与验证

应用三阶精度TVD格式和自由型曲面网格技术,对涡轮内冷叶片进行气热耦合数值模拟。结合商用软件采用多种湍流模型计算方法的结果进行实验验证和对比分析,结果表明,商用软件采用传统湍流模型对温度边界层的模拟是不合理的,采用考虑转捩的湍流模型,调整转捩起始雷诺数,可以较好地模拟温度边界层的热传导。本文对非转捩区边界层温度的计算结果与实验结果吻合较好.

结构化网格在气热耦合计算中的应用

采用商用网格生成器生成结构化气热耦合计算网格,应用多块网格技术提高网格质量并对流动边界层和热边界层等流场参数变化较大的区域进行加密,同时采用高精度的数值传递方式在网格块间进行数值传递,从而保证高精度差分格式在网格块间不被破坏,提高耦合计算效率。最后通过MarkII叶片气热耦合的计算,并将耦合计算结果与实验值进行比较,中径处压力沿叶型分布两者相差在1%范围内,而中径处温度沿叶型分布在大部分地方两者相差在4%范围内。

空气冷却涡轮叶片气热耦合数值计算

借助CFX-TASC flow程序的气热耦合数值模拟技术分析了文献[1]实验研究的径向冷却高压涡轮叶片,计算结果与实验数据比较吻合,与绝热壁面条件的结果比较,叶片外表面的等熵马赫数增加.

带有热障涂层的涡轮叶片前缘气热耦合数值研究

采用气热耦合的数值计算方法以及考虑转捩的湍流模型,对采用热障涂层技术的某型气冷涡轮叶片前缘传热进行了数值研究。结果表明,由于热障涂层的高绝热性,热障涂层一方面大幅提高叶片的抗氧化和抗热腐蚀的能力,另一方面配合高效的冷却技术,可以降低金属叶片的工作温度和叶片内的温度梯度。

边界元法在气冷涡轮叶栅气热耦合计算中的应用

将边界元计算方法应用到三维N-S方程求解程序中,流体部分采用有限差分法求解N-S方程,边界元法求解固体区域热传导方程。开发气热耦合计算程序对NASA-MarkII高压气冷涡轮叶栅热环境进行气热耦合分析。利用边界元法特有的优势(降维、解析与离散相结合的特点),避免了固体区域的网格生成和内部节点求解工作,提高了计算精度。结果表明,耦合计算程序能够高效、准确求解多场的气热耦合问题,计算结果与实验结果吻合的较好,二者平均误差为3%。

气冷燃机涡轮叶片的气热耦合数值研究

为了实现燃机涡轮叶片气冷结构的设计和优化,利用绝热和气热耦合方法开展了气膜冷却效果的数值模拟研究;24核并行求解的方法提高了模型网格数目在107量级时的计算效率;对比分析了绝热和耦合计算方法中气膜冷却的效率和均匀性;利用耦合方法进一步研究了叶片尾缘的冷却方案以及冷气进气压力对冷却效率的影响。研究结果对于涡轮叶片气膜孔、尾缘冷却结构的设计以及冷却气体进气压力的选择具有一定的指导意义。

考虑转捩的气冷涡轮气热耦合仿真

以NASA-MARKⅡ跨音速涡轮叶片以及某低压涡轮导叶为例进行了考虑转捩的气热耦合计算.首先开发了有限差分气热耦合求解器,采用直接耦合方法进行流固区域的数据传递,并采用AGS代数转捩模型来预测叶片表面的转捩流动现象.然后以NASA-MARKⅡ叶片的5411号试验工况为例对该转捩模型进行了验证,对比表明AGS模型能够预测叶片表面的转捩流动过程,所预测的叶片表面温度分布与对流换热系数分布和实验值吻合较好.最后采用该耦合求解器对某双腔内冷以及尾缘劈缝的低压涡轮进行气热耦合计算,对叶片的热负荷进行了分析.

气冷涡轮级气热耦合非定常频域分析

对某级涡轮进行了三维非定常气热耦合数值模拟,分析了叶片型面压力和温度的非定常波动,对静叶和动叶压力和温度非定常波动幅值较大的位置进行频谱分析。结果表明:静叶产生的尾迹作用在动叶前缘导致冲角增大,对动叶吸力面前部的非定常影响最大;上游尾迹不但直接与冷却气膜孔的流场发生作用,还会影响到冷却气膜孔下游流场;热传导系数的周期性波动主要是由于温度的波动而引起的。