大型燃气涡轮叶片冷却技术

近年来,随着大型燃气轮机性能的不断提高,为进一步减少有效气体的消耗,提出了汽雾两相流冷却方案,即涡轮叶片由空气冷却逐渐转向空气和蒸汽双工质冷却,现已日益成为研究的热点。大量研究表明,汽雾冷却具有冷却快、冷效高、流阻小和结构简单等优点,将在下一代高性能燃气轮机的涡轮叶片冷却中发挥重要作用。通过对带冲击气膜结构冷却的数值模拟,平均冷却效率明显提高,且低温区明显延长。

基于■耗散率最小的燃气涡轮叶片冷却构形优化

基于构形理论,以■耗散率最小为优化目标,对燃气涡轮基元级叶片进行构形优化,得到量纲一当量热阻最小的基元级叶片最优构形。结果表明:在基元级叶片总横截面积和空腔占比一定的条件下,存在最佳空腔直径与叶片厚度比使得基元级叶片量纲一当量热阻取得最小值,但不存在最佳空腔边距与叶片厚度比、最佳叶片厚度与长度比使得基元级叶片量纲一当量热阻取得最小值。在叶片结构强度允许的前提下,提高空腔占比,减小空腔与叶片表面的距离,保持基元级叶片狭长均有利于提高基元级叶片的整体传热性能。■耗散率最小和最大温差最小的基元级叶片最优构形是明显不同的,■耗散率最小的构形优化比最大温差最小的构形优化更能有效地降低基元级叶片的平均传热温差,提高其整体传热性能。此外,通过对基元级叶片冷却空腔进行多尺度构形优化,其整体传热性能也得到明显提高。

飞机发动机透平叶片冷却孔专用机床的新发展

近年来，为应对飞机发动机透平叶片冷却孔加工的需求，日本ELENIX公司（本刊曾在2012年第13期中做过介绍）．三菱电机公司、牧野公司、

基于C/S架构的涡轮叶片冷却模型信息系统设计与实现

以涡轮冷却冷模型数据管理与应用为背景,采用两层C/S信息系统构建方法,关系型数据库与文件系统结合的数据存储模式,完成了模型信息系统的设计与实现,并对系统的扩展性以及动态调用辅助计算进行了研究,从而给出了一种通用的设计模型数据管理与运用解决方案。该系统具有扩展性强、操作简便、界面友好等特点,为设计研发提供了一个很好的辅助工具。

M701F型燃气轮机透平叶片冷却技术浅析

描述日本三菱公司生产的M701F型燃气轮机透平叶片的冷却技术。

带热障涂层涡轮冷却叶片冷却特性计算方法研究

阐述了航空发动机高温涡轮冷却叶片热防护系统流体动力与冷效特性计算方法。计算方法考虑了叶片隔热涂层对发动机气冷叶片冷却效果的影响,在发动机过渡态工作过程中考虑了叶片和隔热涂层的瞬态热传导,建立了瞬态带隔热涂层复合涡轮冷却叶片流体动力与冷效特性计算的计算模型,并完成了相应的程序编制。

基于管网计算的涡轮叶片冷却方案设计与验证

管网计算方法可以快速分析涡轮冷却叶片的对流换热特性,非常适合用于冷却方案的设计。基于校核后的管网计算提出了一种涡轮叶片冷却方案设计方法。针对已有涡轮冷却叶片,通过和三维CFD计算的对比分析,校核了管网计算方法的精度。在此基础上,依次通过冷却通道、局部冷却特征设计,进行了涡轮叶片冷却方案设计,并进行了三维CFD分析验证。经三维CFD验证表明,基于管网计算的涡轮叶片冷却方案设计达到了预期的降温效果。

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。

一种计算燃气轮机透平叶片温度分布和冷却空气需求量的修正的解析模型

现代燃气轮机冷却技术非常复杂,该文针对传统的计算透平叶片冷却空气量模型的不足,基于热力学、传热学理论,对以往模型进行修正和改进,建立一种考虑了气膜冷却和热障涂层(thermal barrier coating,TBC)的修正的解析模型。通过对不易测得的叶片内部冷却通道参数的合理处理,模型可计算得出叶片的冷却空气需求量以及温度分布情况,并通过算例进行了计算分析,得到较合理的结果。该模型可以用于燃机叶片温度实时监测以提高燃机机组运行的安全性,还可对燃机设计、性能分析和冷却空气量分配控制提供一些参考。

转子叶片径向受限的“冲击-气膜出流”冷却结构流动与换热

为揭示转子叶片径向受限的"冲击-气膜出流"冷却结构流动换热规律,以某型双层壁叶片肋化分割形成的冷却单元为研究对象,通过数值模拟的方式,对冲击雷诺数Rej,旋转数Ro,无因次温比(Tw-Tf)/Tw等参数变化下流场和换热特性变化规律展开研究。结果表明:在哥氏力和离心力作用下,受限空间内存在射流偏转、径向二次流动以及二次冲击等现象;流动的径向受限可抑制射流偏转,强化冲击换热;相同的旋转数Ro下,逆转向冲击(叶背区)换热努赛尔数Nu比顺转向冲击(叶盆区)高8%。在研究的参数范围内,数值模拟和试验结果说明径向受限周向出流结构能有效的抑制旋转对换热的削弱。

涡轮叶片冷却技术的发展及关键技术

简单介绍了涡轮叶片冷却技术的基本原理和重要性,在此基础上对国外涡轮叶片冷却技术的研究进展进行了追踪,对相关文献资料进行汇总分析后提出了涡轮叶片冷却技术的发展趋势和关键技术,并对将涡轮叶片冷却技术应用于弹用涡扇发动机进行了可行性分析。

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。

涡轮叶片冷却通道高性能微小肋湍流传热的数值研究

为了提高涡轮叶片内冷通道的换热性能,针对分别带有直肋、斜肋、V肋和W肋这四种微小结构肋的冷却通道进行了数值计算并。通道宽高比为6,肋间距与肋高比为10,肋高与水力直径比为0.029。采用低雷诺数AKN k-ε模型研究了雷诺数范围从36700到60000时四种带肋通道的换热与流动特性并与实验结果相比较,发现通道换热性能和压力损失与稳态实验结果较一致。研究表明,W肋换热性能最优,其平均努塞尔数是流动充分发展的光滑通道的2.2到2.4倍,摩擦因子是光滑通道的3.7～4.0倍。其次是V肋、直肋,斜肋最低。分析流场发现直肋下游回流区最大,壁面努塞尔数在横向上较均匀,而斜肋、V肋和W肋因为二次流的存在回流区较小,壁面努塞尔数沿着肋展方向降低。

内部通道肋片结构对MarkⅡ叶片冷却性能影响的降维模型研究

一维冷却通道气热耦合计算是分层涡轮叶片冷却结构设计的重要方法。发展了以管道网络算法为核心的内部冷却特性计算程序,并与三维传热计算进行了耦合。通过与MarkⅡ叶片特定实验工况下的结果进行对比,验证了方法的有效性。此外,进一步将带肋结构流道传热特性相关经验公式集总在一维气热耦合算法中,分析了带肋通道改型的MarkⅡ叶片冷却性能。结果显示,带肋结构相比光滑流道能显著提升换热性能,在中径截面处较原方案温度下降15~30 K。

涡轮叶片U型冷却通道旋转流动特性模拟

为了研究发动机涡轮叶片U型通道在旋转条件下的流动特性,采用Fluent中双精度速度压力耦合求解器的简单算法,湍流模型采用k-ωSST模型,压力动量项和密度项用二阶迎风差分格式数值计算,能量项用快速格式计算,建立了旋转条件下涡轮叶片U型通道内的数值模拟方法,分析对比了静止条件下和旋转条件下U型通道内的流动特性。结果表明,相对于静止条件,旋转使得U型通道内液体的流动更加复杂,二次流现象更加严重,湍流程度加剧,换热加强,在科氏力作用下径向出流和径向入流呈相反的流动,在横管段由于旋转和迪恩涡双层作用,换热效果最强。

涡轮叶片前缘旋流-气膜复合冷却内部流动传热特征实验和数值模拟

为了提高涡轮叶片前缘的冷却效率,提出了一种偏置冲击孔的旋流-气膜冷却结构。在雷诺数2×104~5×104时,对冲击孔居中和偏置分别开展实验研究和数值模拟,得到了两种结构的内部传热、流阻和流场特性。实验通过瞬态液晶热像技术获得前缘内表面的详细努塞尔数分布,并结合数值模拟的结果分析了流场特征,对强化换热的机理做出解释。实验结果表明:叶片前缘内部旋流使总体平均努塞尔数提高4.0%~9.4%,同时压力损失降低5.6%~6.4%。数值模拟结果表明,偏置冲击孔利用叶片前缘曲率较大的结构特性产生了强烈的旋流,使高换热区的面积显著增加,改善了内部换热的均匀性。

基于近似的涡轮冷却叶片外形多学科设计优化

研究多学科耦合作用下的复杂结构快速设计优化技术,解决了涡轮冷却叶片设计优化的高设计成本和数值噪声问题。函数解析与特征造型方法结合造型软件二次开发技术,实现了涡轮冷却叶片几何模型参数化及自动造型;流热耦合分析方法得到准确的气动与传热结果,通过保持与流热耦合分析模型网格节点的一致,将温度、压力等载荷信息精确传递到振动和强度分析模型;根据强度分析结果,采用经验公式方法预测叶片蠕变寿命,实现涡轮冷却叶片的多学科分析。以涡轮叶片叶尖和叶根两个外形截面18个设计参数为变量;优化拉丁超立方方法采样建立样本空间,利用Kriging函数构造快速分析模型;以叶身温度、总压损失和重量最小为优化目标,以共振裕度、应力、寿命和最大变形量为约束,建立高维、非线性设计空间下复杂涡轮冷却叶片涉及气动、传热、强度、振动和寿命等多个学科的多目标设计优化系统,最终实现叶片外形的设计优化,提高叶片的综合性能。

高压涡轮冷却叶片叶顶结构气动与传热

开展了叶顶结构及间隙变化对高压涡轮冷却叶片气动与传热性能影响的研究,建立了四种不同叶顶结构的涡轮冷却叶片几何与数值分析模型,进行了高精度流热固耦合分析,得到了不同叶顶结构及间隙对涡轮冷却叶片气动与传热性能影响的数值分析结果。结果表明:不带射流孔叶片随着叶顶间隙的增大,总压损失增加;由于近壁面处存在的涡流,凹槽叶顶结构能够减少叶顶燃气泄漏,阻碍叶顶平面高温燃气的流动与热交换;叶顶射流孔冷却效果明显,能够大幅度降低叶顶平面温度。在相同叶顶间隙下,凹槽射流叶片具有最高的气动性能。

排尘孔涡轮冷却叶片叶顶流动与传热研究

涡轮叶片叶顶排尘孔用于清除冷气中掺杂的尘粒,以保证气膜孔和冲击孔的可靠工作,但排尘孔射流引起叶顶流动和传热问题。采用参数化方法建立有、无排尘孔涡轮冷却叶片几何模型,基于包含叶片主体、主燃气通道和三腔回流式内冷却通道的全局模型,采用流热耦合数值分析,开展排尘孔对涡轮冷却叶片叶顶流动与传热问题的初步研究。研究结果表明,对比有、无排尘孔叶片,排尘孔射流可降低叶顶平均温度约25 K;冷却通道对流换热作用和叶顶排尘孔射流可使叶顶平面降温400～600 K,冷却效果与冷却通道冷气流量和尘孔结构在叶顶位置相关;排尘孔叶顶射流对叶顶间隙高温燃气泄漏具有阻碍作用,可以提高叶片总压恢复系数约0.5%～1.5%,随着冷气流量的增大,这种作用增强;尘孔结构设计应兼顾射流对叶顶流动与传热的共同影响。