燃烧室出流条件对涡轮静叶端壁流动结构和传热冷却特性的影响

论文数值研究了不同燃烧室旋流器时序位置与旋流方向工况下,涡轮静叶叶栅气动特征,端壁附近流动结构,总压损失系数和端壁、叶表传热与冷却特性以及冷却气的流动趋势;建立了双环预混旋流器(TAPS)燃烧室简化模型,将其与涡轮第一级静叶叶栅进行整体数值计算。研究表明:本文计算采用的TAPS燃烧室模型旋流器出口旋流数为0.71,可以代表典型贫油预混燃烧室流动特征;火焰筒内壁发散冷却气会在静叶端壁附近形成高总压区,燃烧室旋流使中间叶展位置总压降低;正向旋流会在叶片前缘处分为两股,反向旋流则全部流入一个叶栅通道;燃烧室旋流冲刷会显著提升叶片吸力面上游换热强度,正向旋流会对下端壁压力面侧的冷却效果产生负面影响;槽缝射流局部吹风比在滞止点处最低,但旋流器正对叶片前缘时,旋流会削弱滞止点的影响;静叶端壁流动结构与传热、冷却特性受到燃烧室出流条件的显著影响,在进行叶栅气动性能优化与冷却结构设计时需对其加以考虑。

发散冷却和前缘槽缝射流作用下涡轮静叶端壁流动结构的研究

数值研究了无发散冷却与3种发散冷却气质量流量比下的涡轮静叶端壁附近涡结构、总压损失系数和端壁、叶表绝热冷却有效度以及两种冷却气在端壁上的流动结构。研究表明:发散冷却气质量流量比由5%增加至7%时,进口截面端壁附近的总压峰值升高3.7%,峰值区流体在叶片前缘滞止后向上卷起形成冲击涡;发散冷却流量增加会增强冲击涡而吸力面角区涡对被削弱。低流量冷却气会使整体总压损失降低,而发散冷却气质量流量比由5%升高至7%时总压损失增加4.5%。发散冷却气注入时,冲击涡会将冷却气携带至叶表,在压力面形成显著的泛冷却效果;发散冷却气质量流量比增加至7%会使冲击涡纵向伸长并分裂出三次涡。发散冷却贡献占比的计算结果表明,边界层分离线上游端壁由槽缝射流冷却气覆盖,而叶表和下游端壁的冷却由发散冷却主导。静叶端壁流动结构受到上游燃烧室内壁发散冷却的显著影响,并将改变端壁冷却特性。

微肋片结构的涡轮静叶端壁气动和冷却特性的数值研究

采用求解三维Reynolds-Averaged Navier-Stokes(RANS)和SST k-ω紊流模型的方法数值研究了带微肋片结构的静叶端壁的流动传热和冷却特性。数值预测研究的端壁气膜冷却效率与实验测量数据吻合良好,验证了数值方法的可靠性。计算分析了在燃气涡轮的静叶端壁设计微肋片结构及静叶上游槽缝冷却射流流量对静叶端壁流动性能和冷却特性的影响。研究结果表明:在叶栅通道的压力面侧引入微肋片结构可显著抑制横向次流对冷却射流的干涉作用,同时微肋片结构对冷却射流的引导作用使冷却射流在沿肋片之间区域朝下游迁移。叶栅压力面侧端壁和叶栅通道端壁的冷却效率都有显著提高。此外,由于微肋片结构对横向次流有明显的抑止作用而减小了端壁附近横向次流导致的气动损失,因此带微肋片结构的端壁具有比常规端壁更小的气动损失。

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0.0555。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。