双肩壁凹槽叶顶冷却传热性能的优化研究

为改善航空发动机透平第一级凹槽叶顶的冷却传热性能,利用自编程序搭建了凹槽叶顶的优化设计平台。采用三阶多项式响应面模型和Hooke-Jeeves模式搜索算法的组合优化策略,获得了一种具有优良气热性能的透平级双肩臂凹槽叶顶结构,并将优化结果与传统凹槽叶顶、4种典型双肩臂凹槽叶顶的传热和冷却性能进行了对比,分析了内肩臂的几何参数对凹槽叶顶流场结构和冷却传热性能的影响,评估了双肩臂凹槽叶顶冷却传热性能对设计变量的敏感性。结果表明:优化后的内肩臂分为上下两层;合理的内肩臂几何参数可有效降低泄漏流的冲击作用,有利于冷却流在内外凹槽区域形成良好的覆盖;与传统凹槽叶顶相比,优化后的双肩臂凹槽叶顶的平均传热系数下降了24.96%,平均气膜冷却效率上升了5.38%;叶顶平均传热系数对内肩臂下层的高度最为敏感,叶顶平均气膜冷却效率对内肩臂上层的起始位置更加敏感,而内肩臂上层的高度对双肩臂凹槽叶顶的冷却传热性能影响相对较小。

气膜孔堵塞对凹槽叶顶冷却传热性能的影响

采用数值方法,研究了燃气透平叶片气膜孔堵塞条件下凹槽叶顶的冷却传热性能,获得了3种吹风比M=0.5, 1.0, 1.5和不同堵塞比B=0, 0.2, 0.4, 0.6, 0.8条件下的凹槽叶顶的气膜冷却效率和传热系数分布。研究表明:气膜孔堵塞会导致凹槽叶顶气膜冷却性能下降、热负荷升高,堵塞比越大,凹槽叶顶的冷却传热性能越差。气膜孔堵塞显著改变了叶顶区域的流场结构,加剧冷气的抬升效应,导致冷气过早离开凹槽。吹风比是影响堵塞工况下凹槽叶顶冷却传热性能的重要因素,吹风比为1.0、堵塞比为0.8时,凹槽叶顶的面积平均气膜冷却效率相比于未堵塞时下降了64.88%、传热系数上升了13.01%。减小吹风比可以改善小堵塞比工况下的叶顶气膜冷却性能,吹风比为0.5、堵塞比为0.4时,叶顶平均气膜冷却效率仅下降了6.82%,但小吹风比会导致大堵塞比工况下的气膜冷却性能恶化严重,吹风比为0.5、堵塞比为0.8时,平均气膜冷却效率下降了82.09%。增大吹风比,可改善大堵塞比工况下的叶顶气膜冷却性能,吹风比为1.5、堵塞比为0.8条件下叶顶平均气膜冷却效率下降了51.34%、传热系数上升了11.52%。

等离子体激励下的凹槽叶顶气膜冷却性能

通过将等离子体激励力耦合至雷诺时均NS方程组的动量方程中,数值研究了等离子体控制下的燃气透平凹槽叶顶的气膜冷却性能,分析等离子体激励强度、激励频率对凹槽叶顶气膜冷却效率和总压损失的影响,提出了一种改善凹槽底部冷却气膜覆盖的非均匀等离子体控制策略,阐明了等离子体激励对叶顶间隙内冷热气流的作用机制。研究结果表明:凹槽下游等离子体激励可有效抑制上游冷气对下游冷气的卷吸,且抑制作用随着激励强度、激励频率的增加而增强。激励强度较小时,上游冷气未对下游冷气造成卷吸,尾缘处气膜冷却性能较好;随着激励强度增大,尾缘冷气被上游冷气吹离凹槽底部,但中部气膜冷却性能较好。激励强度Ds为204时,凹槽底部平均气膜冷却效率相比无激励时提升了25.11%。激励频率与激励强度对叶顶气膜冷却性能的影响规律类似。当激励强度Ds为156,激励频率Dθ为6.25和Dθ为8.75时,凹槽底部平均气膜冷却效率相比于无激励时分别提升了28.71%和29.27%。施加非均匀等离子体控制时,凹槽底部平均气膜冷却效率比无激励时提升了39.12%。施加等离子体激励后,叶栅总压损失几乎不变。

凹槽叶顶的气膜冷却特性

涡轮工作时,叶顶间隙内高速高温的间隙泄露流会直接冲刷动叶顶部,产生局部高温区域,因此控制间隙泄露流至关重要。基于压敏漆涂料(PSP)实验,研究了密度比、吹风比和间隙高度对凹槽叶顶气膜冷却特性的影响。研究结果表明:密度比增大,凹槽叶顶气膜冷却效果逐渐提高,尤其是大间隙下冷效提高较为明显,叶顶面平均冷效增加了35%;间隙高度和吹风比对叶顶表面冷效的作用不是单一的,小间隙条件下,叶顶表面气膜冷效随着吹风比增大而增大,大间隙条件下,吹风比的增加使得叶顶表面气膜冷效先减小后增加,同时小吹风比时,间隙高度增加提高了叶顶尾缘区域和孔周围的气膜冷效,叶顶面平均冷效提高了6.85%。

涡轮动叶倾斜肩壁凹槽状叶顶气动性能研究

基于垂直肩壁凹槽状叶顶,提出肩壁向外倾斜以实现叶顶泄漏损失的控制,并对比了3种肩壁倾斜方式(压力侧倾斜、吸力侧倾斜、压力侧和吸力侧同时倾斜)和5种肩壁倾角(10°、20°、30°、40°、50°)的涡轮动叶倾斜肩壁凹槽状叶顶结构的泄漏流动特征和动叶出口总压损失分布。结果表明:压力侧倾斜肩壁阻碍了泄漏流从压力侧进入叶顶间隙,而吸力侧倾斜肩壁对泄漏涡产生压迫,泄漏涡朝远离机匣面和吸力面的方向偏移,3种肩壁倾斜方式均减弱了叶顶间隙泄漏流在叶顶间隙内的湍流耗散。当倾角较小时,泄漏流与主流的掺混损失因速度差的提高而增大,随着倾角继续增大,泄漏量的大幅下降弥补了速度差增大带来的负面效果,泄漏损失逐渐减小。对于压力侧和吸力侧倾斜肩壁凹槽叶顶,当倾角大于40°时,主流从吸力侧进入凹槽,加剧了下游区域的泄漏流动,叶顶泄漏损失反而增大。两侧倾斜肩壁凹槽状动叶叶顶具有最低的叶顶总压损失,相比垂直肩壁凹槽状叶顶下降了13%。研究内容为提高凹槽状动叶叶顶气动性能的肩壁结构设计提供了参考。

考虑椭圆孔偏转角组合的凹槽叶顶气热性能优化研究

为进一步提高凹槽叶顶的冷却与气动性能,基于Kriging代理模型优化算法,耦合商业CFD分析软件,引入椭圆冷却孔型,设计了凹槽叶顶冷却孔组合偏转角参数化方法,并建立了组合偏转角自动优化框架。以实验条件下的GE-E3首级动叶的叶顶冷却孔布局为研究对象,兼顾冷却与气动两方面性能,开展了凹槽叶顶的冷却孔优化设计与气热分析。研究结果显示,在凹槽叶顶布置吸力面朝向与凹槽尾缘朝向的组合偏角气膜孔能有效增强气膜的贴壁性能,扩大气膜的覆盖范围,同时引导了射流向凹槽尾缘堆积,提升了刮削涡对泄漏流的阻塞作用,有效降低了泄漏流量。椭圆孔依靠低曲率的长轴边出流,相较于圆形孔进一步扩大了气膜覆盖范围并提升了贴壁性能,使凹槽尾缘的流线堆积效应相应增强,进一步地减少了泄漏流量。圆形孔优化结构相比参考结构的气膜冷却效率提高了331.7%,泄漏流量相对减少了1.641%;椭圆孔优化结构的气膜冷却效率提升了565.1%,泄漏流量相对减少率为2.063%。

凹槽叶顶椭圆与圆形冷却孔轴向偏转角对气热特性的影响研究

改善叶顶气热特性对提升透平的气动效率和安全可靠性具有重要意义。本文引入了一种在冷却方面具有重大潜力但在叶顶研究中鲜有报道的冷却孔型——椭圆孔,并采用ANSYS CFX 19.2商业软件求解三维稳态RANS方程组,通过数值模拟方法分析了凹槽叶顶椭圆孔与圆形孔在气热特性方面的差异,以及轴向偏转角结构对叶顶流场、冷却与传热的影响。研究发现,正轴向偏转结构减小了气膜抬升与分离,有利于提高平均冷却效率并降低泄漏流量与总压损失,负偏转结构虽然提高了气膜覆盖面积但大大增大了射流涡尺度,导致了泄漏流量与总压损失的增加。椭圆孔相比圆形孔其出流边曲率更小,气膜覆盖范围更宽,在大偏转角结构减弱了出流收缩现象,能显著提升气膜冷却效率与减小射流涡尺度,但在小偏转角结构中易产生流动分离导致射流涡尺度的增长。本文还发现凹槽前缘负偏角冷却孔在吹风比M=2.0时能有效减弱凹槽前缘再附区换热恶化现象并显著提升气膜覆盖范围,其中OH-60结构的平均气膜冷却效率达到了0.1111,是吹风比M=1.0时参考结构的9.320倍。

叶尖片削对压气机转子强度振动影响研究

统计结果显示,振动问题在航空发动机的故障中占比很高,而压气机转子叶片振动故障,在发动机使用过程中时有发生,且危害性较大。因此,在设计过程中应采取有效措施避免振动问题,提升航空发动机质量,提高航空发动机寿命。在压气机结构设计中,常通过改变叶型来调整频率裕度,需要在性能分析与强度振动计算之间来回迭代,费时费力。基于上述情况,本文提出了一种调整叶片频率的方法——叶尖片削,即在转子叶尖切去部分叶型,可以实现快速调频。以某型压气机第1级叶片盘为例,分析了不同尺寸的转子叶尖片削对叶片频率、叶片根部最大当量应力、盘心最大当量应力、叶尖变形的影响,结果叶片频率裕度有提高外,其余方面影响均较小。同时,性能数值仿真结果显示叶尖片削对压气机性能几乎没有影响。

气膜孔分布对凹槽叶顶传热和冷却性能的影响

采用数值求解RANS方程的方法研究了典型燃气透平动叶凹槽叶顶的传热和气膜冷却性能,通过计算获得了3种叶顶间隙(1.31mm、1.97mm和3.29mm)、2种吹风比(1和2)、2种气膜孔分布(中弧线位置单排孔、中弧线+近压力面位置两排孔)条件下叶顶传热系数和气膜冷却有效度分布,并与实验结果进行了对比。结果表明:对于中弧线位置的单排气膜孔,冷却流可以对凹槽底部近压力面侧形成有效的冷却;随着吹风比的增大,凹槽底部靠近前缘吸力面侧的高传热系数区域减小,凹槽底部压力面侧的传热系数减小且气膜冷却有效度显著增大;随着叶顶间隙的增大,凹槽底部前缘吸力面侧的高传热系数区向压力面侧扩大,凹槽底部平均传热系数明显增大,凹槽底部近压力面侧和尾缘处的气膜冷却有效度减小。对于中弧线+近压力面两排气膜孔,近压力面气膜孔内的冷却流覆盖了凹槽肩壁和叶顶尾缘区域,且强化了凹槽底部靠近压力面侧的冷却性能;随着吹风比的增大,凹槽底部近压力面侧、肩壁和叶顶尾缘区域的传热系数明显减小,气膜冷却有效度明显增大;随着叶顶间隙的增大,凹槽底部吸力面侧高传热系数区域向压力面侧扩大,凹槽底部近压力面侧、肩壁和叶顶尾缘区域的传热系数显著增大,气膜冷却有效度减小。

凹槽状叶顶涡轮叶片传热特性的数值研究

采用计算流体动力学软件ANSYS-CFX数值求解三维Reynolds-Averaged Navier-Stokes(RANS)和标准k-ω紊流模型研究了涡轮叶片凹槽状叶顶的传热特性。数值预测的平顶部叶顶的换热系数分布与实验数据吻合良好,验证了数值方法的可靠性。计算分析了凹槽深度和肩壁厚度对凹槽状叶顶传热特性的影响,还分析了动叶与机匣相对运动下的凹槽状叶顶无气膜冷却和中弧线布置气膜冷却时的流动换热特性。研究结果表明:在肩壁厚度一定时随着凹槽深度的增加叶顶换热系数降低;在1%叶高的叶顶间隙和2%叶高的凹槽深度及4种肩壁条件下1.0mm肩壁厚度时叶顶换热系数最小。相比于动叶与机匣均静止时,动叶和机匣之间的相对运动能够增强动叶顶部的换热效果;动叶与机匣间的相对运动能够增强前缘处气膜冷却效果,总体来说动叶旋转时的离心力和哥氏力对凹槽状叶顶的气膜冷却效果影响有限。

凹槽状动叶顶部非定常气膜冷却性能的研究

采用数值求解三维(RANS)方程的方法,开展了燃气透平级在动静叶干涉下凹槽状动叶顶部定常和非定常气膜冷却性能的研究.定常计算结果表明:吹风比为1.0时的动叶顶部气膜冷却有效度优于吹风比为0.5和1.5的情况.在吹风比为1.5时,气膜冷却气流脱离槽底壁面并导致气膜冷却有效度降低.非定常计算结果表明:在动静干涉下凹槽状动叶顶部内流动和气膜冷却有效度具有高度的非定常特征;上游静叶尾迹和通道涡周期性地与动叶顶部间隙泄漏流相互作用,使得动叶顶部凹槽底部分离线发生变化,冷却气流覆盖槽底壁面的位置和面积也发生相应的改变,进而导致槽底和槽侧面的气膜冷却有效度发生变化;定常计算得到的凹槽底部气膜冷却有效度的预测值大于非定常计算的时均结果.

压力面侧小翼结构对凹槽叶顶冷却传热性能的影响

采用数值计算方法对带压力侧小翼凹槽叶顶附近的流动、传热和冷却特性进行了研究,计算获得了无气膜孔、单排气膜孔和双排气膜孔3种孔分布条件下叶顶区域的流场结构、传热系数和气膜冷却有效度,并与常规凹槽叶顶和无压力侧肩壁凹槽叶顶的冷却传热性能进行了比较。结果表明:与常规和无压力侧肩壁凹槽叶顶相比,带压力侧小翼凹槽叶顶具有更优的气动、传热和冷却性能;带压力侧小翼凹槽叶顶的总压损失与无压力侧肩壁凹槽叶顶的相近,比常规凹槽叶顶的低约10%;在3种孔分布条件下,带压力侧小翼凹槽叶顶的平均传热系数均最小,平均气膜冷却有效度最大。气膜孔分布影响了带压力侧小翼凹槽叶顶冷却流的作用范围,带压力侧小翼凹槽叶顶中弧线处的冷却流覆盖了凹槽底部吸力面侧区域,小翼处的冷却流能较好地冷却小翼和凹槽底部压力面侧区域。该结果可为增强凹槽叶顶的冷却传热性能提供参考。

叶顶形状对动叶顶部流动和传热的影响研究

应用数值方法和标准k-ω湍流模型,研究了燃气轮机轴流透平不同叶顶密封方式对透平动叶顶部间隙内流动与传热的影响.计算叶型采用GE-E3发动机高压透平第一级动叶片,考虑了4种不同的叶顶密封方式.详细分析了不同叶顶密封时叶顶的流动结构和传热分布.研究了旋转对动叶顶部流动和传热的影响,并与静止的平面叶栅中获得的结果进行了对比.结果表明:不同叶顶密封方式对叶顶间隙泄漏流场影响很大;双侧肩壁密封具有最好的密封性能,而压力面肩壁密封性能最差;采用吸力面肩壁密封获得了最低的叶顶传热系数,压力面侧肩壁密封的叶顶传热系数则最高;相对于静止叶栅,旋转改变了叶顶泄漏流动结构,增加了叶顶的传热系数.

涡轮转子凹槽叶尖泄漏流动气动热力特征

为探索总结凹槽叶尖泄漏流动气动热力特征,利用实验和数值模拟方法,对叶尖凹槽内部旋涡相互作用机理和叶顶流动换热与泄漏流能量再分布等问题进行研究,并对凹槽叶尖参数化设计方法进行探讨。结果表明:搭建的考虑多因素实验台和可视化泄漏流动测量方案可以精确地捕捉到叶顶区域的流动结构;刮削涡在凹槽中起到"气动篦齿"作用,其形态特征的变化直接影响凹槽叶尖对泄漏流动的控制效果;高温泄漏流流体对叶片表面的冲击是叶尖热负荷提高的主要原因;合理选择叶尖气动参数和凹槽的几何参数可以有效控制刮削涡形态,最终提升叶尖气动热力性能。

叶顶凹槽对燃气透平动叶气动性能及叶顶传热的影响

应用数值方法研究了燃气透平动叶顶部凹槽对动叶气动性能及叶顶传热的影响.采用商用计算流体力学软件CFX5.7求解稳态可压时均N-S方程组,湍流模型采用标准k-ω湍流模型,总体求解精度为二阶.计算叶型为一个典型现代燃气透平动叶片,叶顶凹槽深度取3%叶高,考虑了5种不同叶顶间隙的影响.结果表明:在凹槽内存在复杂的流动结构,相对平叶顶动叶,凹槽能够显著降低叶顶的泄漏流量,减小泄漏损失,尤其在大间隙时更为明显;在小间隙时采用凹槽叶顶可以降低叶顶热负荷,而在大间隙时,凹槽叶顶的热负荷反而高于平叶顶的热负荷.

凹槽对动叶顶部流动和换热的影响

应用数值方法和标准k-ω紊流模型,研究了凹槽对燃气轮机透平动叶顶部间隙内流动与换热的影响,考虑了平顶部及4种不同深度凹槽的影响。结果显示,在凹槽内存在复杂的流动结构,不同凹槽深度时呈现出不同的涡结构.在凹槽深度小于3%相对叶高时,泄漏流动随凹槽深度的增加而减少,而高于3%时泄漏流量则几乎不变。凹槽的存在使得凹槽底部局部区域换热率较平顶部时升高,但总体来说,叶顶平均表面换热率随凹槽深度的增加而降低.

凹槽叶顶非定常间隙泄漏流动和传热的数值研究

应用数值方法研究了燃气透平中凹槽状叶顶非定常泄漏流动和传热问题。计算采用GE-E3发动机高压透平第一级动叶,叶顶间隙高度取1%叶高,叶顶凹槽深度取2%叶高。通过施加非定常边界条件模拟上游静叶尾迹,分析了非定常流动对动叶叶顶传热的影响。结果表明,叶顶附近的流场波动主要出现在叶顶前部及尾缘附近。叶顶凹槽底部传热系数变化主要出现在凹槽前部。定常计算获得的叶顶面积平均传热系数与非定常计算的时均结果相差很小。

涡轮叶片凹槽状叶顶非定常流动传热特性的数值研究

为了研究涡轮叶片凹槽状叶顶的非定常流动传热特性,以GE-E3第一级静叶和动叶为研究对象,采用ANSYS-CFX数值求解三维Reynolds-Averaged Navier-Stokes(RANS)和标准k-ω紊流模型。数值预测的叶顶换热系数分布与实验数据吻合良好,从而验证了数值方法的可靠性。数值计算结果表明:静叶尾迹对动叶顶部的流动和换热特性影响显著。压力面侧前缘区域和吸力面中间位置的流场受动静干涉影响显著。叶顶表面的换热系数脉动主要出现在靠近前缘的凹槽底部表面和再附着线附近及吸力面侧肩壁。靠近动叶尾缘区域的换热系数脉动同时受动静干涉作用和下游流场的影响。定常计算得到的换热系数在前缘冲击区和分离线附近高于非定常时均值,在压力面侧肩壁附近小于非定常时均值。定常计算得到的平均换热系数要高出非定常计算结果3.5%。

一种改进的轴流涡轮叶尖对泄漏流影响的数值研究

结合基于压力修正的采用雷诺应力湍流模型加壁面函数的三维计算流体力学程序,通过改进涡轮叶尖表面结构以期减小叶尖间隙泄漏损失,即在传统叶尖边缘镶嵌肋条的基础上倾斜压力面肋条,对这种改进叶尖的某一轴流涡轮转子的泄漏流场进行了数值研究,并详细分析了不同肋条高度和肋条深度对泄漏流场的影响,最后计算了涡轮效率。结果表明:通过改进的涡轮叶尖对泄漏流动进行被动控制,压力面斜肋条可以阻碍泄漏流动,同时叶尖区域回流区也减小泄漏流动,从而涡轮效率提高;肋条高度对涡轮效率有较大影响,且有个最佳肋条高度值,在最佳肋条高度下涡轮效率提高0.215%;肋条深度对流场影响不大,但小肋条深度可以稍微提高涡轮效率。

轴流压气机转子叶顶凹槽及其改进结构研究

为揭示叶顶凹槽对轴流压气机气动性能的影响和机理,本文对一试验台转子进行了全工况数值模拟,计算性能与试验结果取得很好的一致性。在此数值模型基础上对叶顶凹槽及其改进结构—叶顶篦齿进行了数值研究,研究分析表明:叶顶凹槽降低了泄漏流流量,但转子效率和失速裕度均有所下降,主要因为叶顶泄漏流在逆压梯度的作用下沿槽内向叶顶前缘方向流动,使前缘附近泄漏流反流程度增大,造成二次流损失及通道堵塞程度增大;凹槽深度是影响转子气动性能的主要因素。将叶顶凹槽分割开形成叶顶篦齿结构,在效率下降很小的情况下提高了转子的失速裕度;通过调整篦齿位置可进一步提高转子的气动性能;叶顶篦齿的应用存在特定的叶顶间隙范围。