风力机双层叶片式翼型气动性能

为了提高风力机的发电效率,优化风机叶片的翼型,以NREL研发的S809翼型为优化对象,设计了双层叶片翼型模型,利用Auto CAD软件建立了双层叶片翼型的几何模型。采取计算流体力学方法(CFD方法),对0~25.21°等26个攻角下双层叶片翼型进行气动计算,对其附近流场的流线图、压力分布云图、压力系数分布进行了分析,并与S809基准翼型进行了比较。结果表明:双层叶片翼型使叶片在不增加翼展的情况下增大升力;相比S809基准翼型,双层叶片翼型将失速攻角增加了6°;最大升力系数在S809翼型1.059的基础上增大到了1.363,研究结果为今后双层叶片翼型的研究打下了基础。

双层壁涡轮叶片短径扇形气膜孔冷却性能数值研究

针对高冷效双层壁涡轮叶片表面应用短径扇形孔设计准则及强化气膜冷却,机理依旧不明的现状,本文利用流固弱耦合数值模拟技术研究了典型7-7-7和11-11-11扇形气膜孔应用于双层壁涡轮叶片设计的冷却特性。在宽范围吹风比下(0.6~2.4),比较了三种扇形气膜孔布置方案,包含叶片两侧同构布局7-7-7孔(简称SH1布局)和11-11-11孔(简称SH2布局)及新提出的异构布局(简称SH3布局),并以常规圆形孔作为比较依据。通过数值结果对比指出:在双层壁表面应用扇形孔代替圆形孔,最低可提升吸力面综合冷却效率17%,压力面7%。然而,扇形孔也会诱导两侧冷却性能差异扩大的现象。应用两侧孔型异构布局,要求在压力侧布置相较于吸力侧各向扩张角更大的扇形孔,可以有效改善叶片内部的流量配置,从而在提升综合冷却效率的基础上兼顾两侧温差缩小。在高吹风比条件下,上述异构诱发的冷却优势更为显著。但相对吸力侧、压力侧对扇形孔型结构参数的敏感性更大。因此,压力侧的异型孔气膜冷却挑战性更大。

基于神经网络的双层壁叶片异型孔结构强度设计

随着航空发动机领域的飞速发展,热端涡轮叶片服役环境越发恶劣.为了提高叶片的承温能力,行业内提出了双层壁叶片结构,其原理为“外壁承温,内壁承载”.本文针对双层壁叶片气膜孔结构强度问题,采用参数化建模构建叶型及外壁孔结构,通过仿真分析确定孔型设计参数对圆柱型气膜孔、圆锥型扩张孔和簸箕型扩张孔的孔周结构强度的影响,最后根据参数输入及对应响应构建神经网络模型,通过遗传算法优化径向基函数(Radial Basis Function, RBF)神经网络的权值与阈值来提高代理模型的准确性.寻优获得三种不同结构的气膜孔最优孔型设计方案,相较于圆柱型孔,圆锥型扩张孔孔周应力降低了25.12%,簸箕型扩张孔孔周应力降低了22.54%.

倒车涡轮叶片反转鼓风损失影响因素研究

为探究倒车涡轮叶片在反转条件下的鼓风损失影响因素,本文以某型可倒车涡轮双层涡轮叶片为研究对象,在正车运行工况下,使用有限元仿真计算方法,分析倒车涡轮叶片在反转条件下鼓风损失产生机制,并且在不同转速、不同气体压力、不同气体温度、不同叶片高度、不同挡板参数下,开展了倒车涡轮叶片反转鼓风损失计算,掌握鼓风损失影响因素,提炼了关键参数与鼓风损失的关系式。计算结果表明:倒车涡轮叶片反转产生的鼓风损失随转速的增加而增加、随气体压力的增加而增加、随气体温度的增加而降低、随叶片高度的增加而增加,在叶片附近增加挡板后,鼓风损失明显降低,并且随着叶片与挡板之间距离的减小而降低,随挡板与内通流壁板之间间隙的增加,鼓风损失先减小后增加。结论可用于指导倒车涡轮鼓风损失控制装置的设计。

双层涡轮叶片应力计算与分析

为了对可倒车燃气轮机中双层涡轮叶片应力进行分析,以双层涡轮叶片为研究对象进行反转状态下叶片的换热分析,并基于ANSYS-Workbench软件在正车额定工况及倒车额定工况下完成了双层涡轮叶片的应力计算。结果表明:叶片在反转状态下会不断与周围空气产生摩擦,使得叶片温度大幅升高,降低了叶片应力;对叶片采取冷却措施后,双层涡轮叶片的大应力位置主要位于过渡段,通过随形加强筋及空心倒车叶片的优化方案,可使得正车额定工况下的叶片强度储备系数由1.1增加至1.65,满足了叶片强度设计要求。

双层壁叶片的模型化方法与冷却设计流程研究

提出了一种适用于双层壁叶片的冷却设计流程。沿叶片的叶高和流向抽象提取出简单冷却单元,对其建立一维管网模型并进行多次管网计算,得出各个单元最优的冷却结构方案。将设计好的冷却单元映射回实际叶片中,并对叶片建立一维管网模型,经过多次冷却结构调整与计算迭代,得到叶片初步的冷却结构。对该叶片进行三维气热耦合计算,只需要局部冷却结构微调和少量的CFD计算,就可以得出最终的冷却设计方案。最终设计的叶片CFD计算得到的平均温度为1049 K,总冷气量为0.288 kg/s,与管网计算结果1059 K和0.337 kg/s相近。该设计流程方法简便,准确性高,人工工作量和仿真计算量小,优于传统的涡轮冷却设计流程。

先进涡扇发动机空气系统与零件传热设计技术验证

本文简要介绍了中国燃气涡轮研究院在先进涡扇发动机空气系统与零件传热设计技术验证方面的研究情况,内容涉及发动机空气系统设计技术、零件热分析设计技术、涡轮叶片冷却设计技术及新型铸冷双层壳型高效涡轮冷却叶片设计中的关键技术。探讨了空气系统与零件传热设计技术中的设计计算方法、设计软件校核与改进、试验研究与参数测试、以及设计体系建设等问题,通过系统的模型、部件和发动机整机三个层次的试验验证,初步形成了空气系统与零件传热设计体系。

短长径比圆锥组合孔及心形孔的气膜冷却流动特性研究

为改善薄壁双层壁叶片的气膜冷却特性,基于圆锥孔构建了圆锥组合孔,并对心形孔结构进行优化,研究了2种气膜孔在不同吹风比下的冷却、流动特性以及气膜孔内涡旋结构对射流涡旋结构的影响。结果表明:气膜孔入口处射流发展对出口射流的冷却、流动特性具有决定作用;气膜孔下游射流涡旋结构与吹风比有关,当吹风比为1.0时,心形孔和圆锥组合孔的气膜冷却效率均达到最高;心形孔下游中心区域为典型的反肾形涡旋结构,当吹风比为1.0时其气膜冷却效率相较于圆锥组合孔提高了约8%。