吹风比和肋板对叶片尾缘开缝气膜冷却特性的影响

为了阐明吹风比和肋板对燃气透平叶片尾缘开缝区域气膜冷却性能的影响,采用延迟-分离涡模拟方法求解了尾缘开缝模型的流量系数、非定常流场结构和气膜冷却效率,采用实验数据考核了延迟-分离涡模拟方法对流量系数和气膜冷却效率预测的有效性,获得了使尾缘开缝壁面气膜冷却效率最佳吹风比。结果表明:流量系数随吹风比增加而增大,但吹风比大于0.65后,流量系数几乎不受吹风比影响;在吹风比0.20~0.65范围内,尾缘开缝壁面气膜冷却效率随吹风比增加而增加;在吹风比0.80~1.25范围内,冷热气掺混剧烈,冷却效率略微下降;肋板结构增加了冷气通道的阻塞效应,并限制了开缝区域冷气旋涡的发展,导致展向涡提前扭曲、变形和分解;相对于无肋板结构,带肋尾缘开缝结构的流量系数下降了约5%,气膜冷却性能提升了约10.8%。开缝下游的旋涡脱落和冷热气流间的掺混是影响开缝壁面冷却效率的主要原因,综合考虑冷气消耗和气膜冷却效率,无肋板时最佳吹风比为0.65,带肋板时最佳吹风比为0.5。

肋板倾角和形状对尾缘开缝区域非定常冷却性能的影响

针对燃气透平叶片带肋板的尾缘开缝模型,采用延迟分离涡模拟非定常数值求解方法,研究了3种肋板倾角(10°,12.5°,15°)、4种肋板形状(直肋板,直-直型扩张肋,直-直型收缩肋,直-拱型收缩肋)条件下尾缘开缝区域的流动性能与冷却效果,分析了肋板几何参数对尾缘开缝区域流场结构和气膜冷却性能的影响。计算结果表明:对于带肋板的尾缘开缝结构,开缝壁面的展向平均冷却效率在肋板末端会因为冷气难以向肋板正后方扩散而出现突降,且突降幅度随着肋板倾角的增大而增大;增大肋板倾角会降低开缝壁面的整体冷却性能,当肋板倾角从10°增大至15°时,开缝壁面展向平均冷却效率的最低值从0.66降至0.6,下降了约9.1%;在4种肋板形状下,直-直型扩张肋在肋板间的开缝壁面上拥有最佳的冷却性能,在肋板下游的开缝壁面上表现最差,直-拱型收缩肋在这两段区域内的表现正好与之相反;直-拱型收缩肋条件下开缝壁面上展向平均冷却效率的最低值为0.675,相比直-直型扩张肋提升了约15%。

燃气透平叶片尾缘开缝结构冷却性能的数值研究

采用包含流体域和固体域的耦合传热数值求解方法,研究了压力侧开缝结构对典型燃气透平叶片尾缘冷却性能的影响,并利用已有的实验数据考核了数值方法的有效性和精度。通过计算获得了不同冷气量、开缝唇厚条件下尾缘部位的冷却性能。结果表明:在所考核的3种涡黏湍流模型中,标准k-ω湍流模型可以较好地模拟叶片尾缘的冷却性能;采用流固耦合传热计算方法可以较好地模拟尾缘开缝出口区域冷却气体的温度分布;增大吹风比可以有效加强内部冷却通道内的对流换热,并增大尾缘开缝出口区域的气膜冷却系数;开缝的高度固定时,唇厚越大,狭缝出口台阶处形成的旋涡尺度增大,减轻了主流流体对狭缝出口壁面的直接冲击,导致狭缝出口区域的总体冷却效果稍微提高,但整体流动损失增大。

带肋板尾缘开缝叶片内的流动传热性能研究

针对燃气透平带肋板的尾缘开缝叶片,采用RANS(Reynolds Averaged Navier-Stokes)方程求解结合SSTγ-Reθ转换模型数值方法,研究了3种来流湍流度、3种来流雷诺数和3种冷气质量流量比条件下叶片和尾缘开缝区域的流动传热性能,并与无肋板开缝叶片进行了对比,利用实验数据考核了数值方法的有效性。计算结果表明:随着来流湍流度的增大,带肋板的尾缘开缝叶片表面传热系数逐渐增大,开缝壁面的传热系数基本不变,能量损失系数和总压损失系数随之增加;在相同来流湍流度时,增加来流雷诺数可降低损失;增大冷气质量流量比对叶片表面的传热系数影响很小,但可显著提升开缝壁面的传热系数;与无肋板的开缝叶片相比,带肋板的尾缘开缝叶片表面的传热系数和压力系数更低,开缝壁面换热系数更高;当Re为2.0×106时,带肋板的开缝壁面平均换热系数比无肋板时的高14.46%,来流雷诺数分别为0.5×106、1.0×106、2.0×106时,相比无肋板开缝叶片,带肋板尾缘开缝叶片的能量损失系数分别增加了3.75%、5.91%、6.75%,总压损失系数分别降低了3.4%、3.37%、2.06%。

燃气透平尾缘开缝区冷却性能的非定常研究

采用分离涡模拟(DES)非定常数值计算方法,对3种吹风比(M为0.5、0.8、1.1)、3种肋柱结构(双列长肋G1、针肋G2a、针肋G2b)条件下燃气透平尾缘开缝区域的冷却性能进行了数值研究,并将计算得到的肋柱下游绝热壁面的展向平均冷却效率与实验结果进行了对比。实验结果表明,与RANS(雷诺平均N-S方程)方法相比,DES非定常求解能获得较为准确的绝热壁面冷却效率分布。在3种吹风比条件下,肋柱下游壁面的展向平均冷却效率沿流向方向先上升,在达到最大值后迅速下降。吹风比为0.8时,在肋柱中间截面的下游,冷却气膜覆盖的轴向距离最远,但冷却效果好的区域(温度低于310K)面积最小。对于3种肋柱结构,在肋柱下游后半段冷却效率都会出现较大的下降,且唇缘处都出现了周期性的涡流脱落,涡流结构与肋柱的几何结构密切相关。与双列长肋G1相比,针肋结构(G2a、G2b)下游的绝热壁面温度分布均匀,G2b针肋下游的绝热壁面上所覆盖的冷却气膜厚度和稳定性都优于其他2种结构。

尾缘开缝透平叶片内流动传热特性研究

采用带转捩的SSTk-ω湍流模型,计算获得了不同来流条件和冷气质量流量比条件下,尾缘开缝透平叶片内的总压损失和传热系数,分析了尾缘开缝结构对叶片表面流动传热性能的影响,并与实验数据进行对比,验证了数值方法的有效性和精度。计算结果表明:与常规叶片相比,尾缘开缝叶片在冷气质量流量比为1.3%、2.6%和5.2%时,叶片吸力面喉部区域压力系数分别增大了0.1、0.15和0.2左右,出口气流角分别增大了0.3°、0.4°和0.5°左右;尾缘开缝结构对叶片表面对流换热系数的影响区域主要位于吸力面喉部下游,与冷气质量流量比为1.3%的工况相比,尾缘开缝叶片在冷气质量流量比为2.6%和5.2%时,叶片尾缘吸力面侧对流换热系数分别增大了3%和5%左右;开缝壁面上压力及对流换热系数均随着冷气质量流量比的增大逐渐增大,但当冷气流量一定时,在不同主流雷诺数条件下,开缝壁面上的对流换热系数基本一致;冷气质量流量比为1.3%和2.6%时,尾缘开缝叶片总压损失比常规叶片高1%左右,当冷气质量流量比为5.2%时,主流总压损失低于常规叶片。

带肋尾缘开缝模型内的非定常冷却性能研究

采用DDES(delayed detached eddy simulation)非定常数值求解方法,研究了燃气轮机叶片带肋尾缘开缝模型内非定常流动及气膜冷却特性,分析了3种吹风比(0.2,0.8,1.25)对尾缘开缝模型冷却效率的影响,对比了有、无肋板时尾缘开缝模型内的流动和冷却性能,并利用已有的尾缘开缝流量系数和开缝壁面冷却效率实验数据,验证了非定常数值求解方法的有效性和精度。研究结果表明:采用DDES非定常求解方法可以较好地捕捉尾缘开缝区域的旋涡脱落和涡系运动规律,计算得到的流量系数、壁面冷却效率与实验测量值吻合良好;流量系数随吹风比的增加而增加,且小吹风比时流量系数增加幅度更明显;相对于无肋板结构,尾缘开缝区域采用肋板结构时流量系数整体下降5%左右,冷却效率整体上有所提高;对于无肋板和带肋板两种开缝模型,吹风比对绝热壁面冷却效率影响都很大。当吹风比从0.2增加到0.8时,冷却效率显著增加;当吹风比增至1.25时,大尺度的旋涡脱落导致冷热气流强烈掺混,冷却效率反而下降。吹风比为1.25时,带肋板结构的开缝模型相比于不带肋板的开缝模型冷却效率的下降程度减小。

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。