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气膜抽吸作用下透平叶片冲击冷却的一维管网计算方法研究

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西安交通大学学报 2024年第11期58卷 65-77页

作者：包林焌刘钊张韦馨丰镇平西安交通大学能源与动力工程学院西安710049

为了研究透平叶片冲击冷却结构的一维管网计算方法,利用Python自主编制了一维管网程序。分别选取平板冲击冷却、有无靶面气膜抽吸的前缘冲击冷却模型为研究对象,通过分析冲击冷却的内部流动换热特性,提出了局部阻力修正方法,并考虑了气... 详细信息

为了研究透平叶片冲击冷却结构的一维管网计算方法,利用Python自主编制了一维管网程序。分别选取平板冲击冷却、有无靶面气膜抽吸的前缘冲击冷却模型为研究对象,通过分析冲击冷却的内部流动换热特性,提出了局部阻力修正方法,并考虑了气膜抽吸的作用,提出了靶面气膜抽吸的前缘冲击冷却的换热修正方法。将管网计算结果分别与实验数据以及经湍流模型验证和网格无关性考核后的三维计算流体动力学(CFD)计算结果进行对比,对所编制的一维管网程序进行了验证。结果表明:所编制的一维管网程序在计算平板冲击冷却时计算精度较高,计算结果与实验数据吻合较好,相对误差不超过12.4%。对于前缘冲击冷却,经局部阻力修正后的一维管网程序流动计算结果误差较小,与三维CFD计算结果基本一致。由于气膜抽吸的作用,靶面气膜抽吸的前缘冲击冷却的计算精度有待进一步改进。综合考虑了气膜孔结构参数以及气膜孔出流比的影响后,提出了换热修正因子,并设计了管网模型的修正方案,经修正后靶面气膜抽吸的前缘冲击冷却的管网计算精度显著提高,相对误差基本在10%左右。

关键词：冲击冷却管网计算气膜抽吸修正方法

射流角和质量流量比对涡轮端壁气膜冷却特性的影响

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西安交通大学学报 2021年第4期55卷 107-115页

作者：张韦馨刘战胜杨星刘钊丰镇平西安交通大学能源与动力工程学院西安710049

为了提高实际燃机涡轮端壁的气膜冷却效率,对某航空发动机涡轮静叶端壁的气膜冷却特性进行了数值模拟研究。首先采用实验结果对湍流模型进行了校核,并验证了所研究模型的网格无关性,在此基础上研究了端壁离散气膜孔的气膜冷却特性,并采... 详细信息

为了提高实际燃机涡轮端壁的气膜冷却效率,对某航空发动机涡轮静叶端壁的气膜冷却特性进行了数值模拟研究。首先采用实验结果对湍流模型进行了校核,并验证了所研究模型的网格无关性,在此基础上研究了端壁离散气膜孔的气膜冷却特性,并采用给定实验端壁热流输入条件计算了整个端壁的换热特性;分析了5种冷气质量流量比(1.4%、2.1%、2.7%、3.1%、3.8%)和5种气膜冷气射流角度(20°、25°、30°、35°、40°)下端壁离散气膜孔的流动特性、气膜冷却特性以及换热特性。计算结果表明:相同射流角(40°)条件下,冷气质量流量比为1.4%时,端壁平均气膜冷却效率达到0.21;继续增大冷气质量流量比会导致气膜脱离端壁表面,使得端壁整体的气膜冷却效率下降;随着冷气质量流量比增加,叶栅通道总压损失增加,强化了气膜孔出口处的气流掺混,增加了换热效率;受到端壁二次流以及原有气膜孔结构的影响,气膜冷气射流角度为20°时冷却效果最佳,在相同质量流量比(1.4%)条件下,端壁平均气膜冷却效率达到0.27;减小射流角度对端壁表面换热强度改变较小。

关键词：涡轮端壁气膜冷却射流角数值研究

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透平动叶多凹槽叶顶气膜冷却特性的研究

西安交通大学学报 2022年第8期56卷 149-159页

作者：李冯贾哲张韦馨刘钊石䶮丰镇平西安交通大学能源与动力工程学院西安710049 中国联合重型燃气轮机技术有限公司北京100015

为了提高透平动叶叶顶的气膜冷却性能,并降低由叶顶泄漏流引起的泄漏损失,开展了多凹槽叶顶气膜冷却特性研究。采用试验测试和数值模拟相结合的方法,研究了燃气透平动叶不同结构多凹槽叶顶的气膜冷却特性与气动特性,其结构包括单凹槽、... 详细信息

为了提高透平动叶叶顶的气膜冷却性能,并降低由叶顶泄漏流引起的泄漏损失,开展了多凹槽叶顶气膜冷却特性研究。采用试验测试和数值模拟相结合的方法,研究了燃气透平动叶不同结构多凹槽叶顶的气膜冷却特性与气动特性,其结构包括单凹槽、二凹槽、三凹槽和四凹槽4种叶顶形式。在主流进口雷诺数为1.75×10^(5)条件下应用压力敏感漆技术获得了1.0、1.5和2.0等3种吹风比下多凹槽叶顶表面的气膜冷却有效度分布,并采用经过校核的数值方法辅助分析了叶顶间隙内的流场结构及其气动性能。结果发现:多凹槽叶顶内的肋片改变了叶顶的流场结构,阻挡了冷气向下游发展。相比于传统的单凹槽叶顶,四凹槽叶顶在吹风比较大时能够提高叶顶中部的冷却效果,但在叶顶中后部依旧是单凹槽叶顶的冷却效果最好。同时,多凹槽叶顶能够显著降低叶栅的气动损失,相比于传统的单凹槽叶顶,二凹槽、四凹槽叶顶总压损失系数值分别降低了17.9%、20.9%。

关键词：燃气透平叶顶气膜冷却压力敏感漆

应用不同深度学习代理模型的灯笼型扰流柱通道换热性能分布预测方法比较

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西安交通大学学报 2024年第2期58卷 31-42页

作者：高尚鸿张韦馨杨克峰汪翔宇丰镇平西安交通大学能源与动力工程学院西安710049

为提高对灯笼型扰流柱通道端壁面的换热分布预测能力,构建并比较了几种深度学习代理模型的预测性能。应用数据驱动的思想,建立了多项式响应面模型(RSM)、径向基函数模型(RBF)、径向基神经网络模型(RBFNN)、Kriging模型和总体平均近似模... 详细信息

为提高对灯笼型扰流柱通道端壁面的换热分布预测能力,构建并比较了几种深度学习代理模型的预测性能。应用数据驱动的思想,建立了多项式响应面模型(RSM)、径向基函数模型(RBF)、径向基神经网络模型(RBFNN)、Kriging模型和总体平均近似模型(Ensemble)共5种传统代理模型以及5种基于生成对抗网络的深度学习代理模型,包括有残差网络的pix2pix模型、pix2pixHD模型、CycleGAN模型、StarGAN模型以及单一无残差网络的pix2pix模型,以扰流柱截面参数为设计变量,通过拉丁超立方抽样分别得到了样本数为50、25、12、6和3的训练集,并根据扰流柱尾迹高换热区分布特点,将训练样本数为50的数据集分为宽样本数据集和窄样本数据集,比较了不同代理模型对端壁面换热性能的预测精度、计算成本和泛化能力。结果表明:有残差网络的pix2pix模型相比于无残差网络的pix2pix模型,预测精度得到有效提高,在样本数为50的情况下,面平均值预测误差从0.68%降低到0.32%,平均相对误差从6.89%降低到6.41%,而且当训练样本数减少时,有残差网络的模型预测能力更加突出;传统代理模型的时间成本可忽略不计,但深度学习模型的单卡训练时间较长,且增加残差网络后的模型计算成本更高;当训练样本数为50时,传统代理模型和深度学习模型之间预测精度差异不大;当训练样本数逐渐减少时,深度学习代理模型展示出更高的预测精度和泛化能力;Kriging模型虽然泛化能力强,但是预测结果趋同;RSM模型、RBF模型和Ensemble模型泛化能力最差,训练样本数较少时,预测结果严重失真。可见在换热性能预测方面,深度学习模型在预测精度与泛化能力上均有显著优势,尤其适合于小样本问题,对提高灯笼型扰流柱截面设计效率具有参考价值。

关键词：燃气轮机代理模型深度学习扰流柱换热性能预测

平面叶栅多凹槽叶顶倾斜圆柱孔气膜冷却与气动特性研究

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西安交通大学学报 2023年第9期57卷 10-21页

作者：贾哲李冯张韦馨刘钊石䶮丰镇平西安交通大学能源与动力工程学院西安710049 中国联合重型燃气轮机技术有限公司北京100015

为提高燃气透平动叶叶顶的气膜冷却有效度,并减少由叶顶泄漏流引起的气动损失,对带倾斜圆柱孔的多凹槽叶顶冷却与气动特性进行了研究,试验测量了多凹槽叶顶的气膜冷却特性,并对其气动特性进行了数值模拟分析。首先采用压力敏感漆技术,在... 详细信息

为提高燃气透平动叶叶顶的气膜冷却有效度,并减少由叶顶泄漏流引起的气动损失,对带倾斜圆柱孔的多凹槽叶顶冷却与气动特性进行了研究,试验测量了多凹槽叶顶的气膜冷却特性,并对其气动特性进行了数值模拟分析。首先采用压力敏感漆技术,在4种吹风比(0.5、1.0、1.5和2.0)下,测量了4种多凹槽叶顶(凹槽数分别为1、2、3和4个)气膜冷却性能的变化规律;然后经湍流模型验证,采用与试验数据吻合最好的SST k-ω模型,分析了多凹槽叶顶的流场结构及气动损失。研究结果表明:多凹槽叶顶在叶顶区域前、中部具有更优良的气膜冷却有效度,同时对肩壁也有良好保护作用;由于多凹槽叶顶的肋能够阻挡冷气向下游流动,肋后能形成涡卷吸冷气,因而能够提高肋前和肋后的气膜冷却有效度;相较于单凹槽叶顶,多凹槽叶顶的气动损失较低,其中三凹槽叶顶的总压损失系数最小,最多比单凹槽叶顶的低9.3%。

关键词：燃气轮机多凹槽叶顶气膜冷却压力敏感漆气动特性

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装配间隙泄漏流对透平端壁冷却影响的实验研究

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西安交通大学学报 2023年第5期57卷 1-10页

作者：刘钊张韦馨谢晔航丁玉强丰镇平西安交通大学能源与动力工程学院西安710049

为了研究叶栅装配间隙泄漏流对透平叶片端壁气膜冷却特性的影响,依据真实重型燃气透平叶片参数,搭建了端壁气膜冷却实验台。采用压力敏感漆技术测量了不同质量流量比和装配间隙角度下端壁的气膜冷却特性,使用压力扫描阀测量了主流进口... 详细信息

为了研究叶栅装配间隙泄漏流对透平叶片端壁气膜冷却特性的影响,依据真实重型燃气透平叶片参数,搭建了端壁气膜冷却实验台。采用压力敏感漆技术测量了不同质量流量比和装配间隙角度下端壁的气膜冷却特性,使用压力扫描阀测量了主流进口雷诺数和叶片表面压力分布。通过数值计算模拟了实验叶片装配间隙的流动结构,得到了装配间隙冷气出流质量流量比及射流角度的气膜冷却特性。结果表明:在装配间隙冷气出流质量流量比为0.1%~1.0%的范围内,在相同射流角度下,增加装配间隙质量流量能够提升透平端壁气膜冷却有效度,并增大装配间隙下游出口气膜覆盖面积,冷气质量流量比为1.0%时端壁气膜冷却有效度达到最高。由于叶片端壁表面的压力梯度导致装配间隙出流集中在流道中部及出口位置。在研究的60°~90°射流角范围内,在相同质量流量比下,减小装配间隙射流角度能够有效提升端壁气膜冷却有效度,75°射流角相较于90°垂直入射条件下的气膜冷却有效度增加接近一倍;射流角为60°时端壁气膜冷却有效度达到最高。

关键词：端壁装配间隙气膜冷却

气膜孔布置对透平端壁冷却和气动性能影响的研究

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西安交通大学学报 2023年第8期57卷 22-33页

作者：刘钊丁玉强谢晔航张韦馨丰镇平西安交通大学能源与动力工程学院西安710049

为了研究燃机透平端壁气膜冷却特性,对存在装配间隙泄漏流条件下端壁不同气膜孔布置的气膜冷却进行了分析。采用压敏漆技术对端壁气膜冷却效率进行了测量,并利用实验结果对湍流模型进行了校核;对所研究模型的网格无关性进行了验证,在此... 详细信息

为了研究燃机透平端壁气膜冷却特性,对存在装配间隙泄漏流条件下端壁不同气膜孔布置的气膜冷却进行了分析。采用压敏漆技术对端壁气膜冷却效率进行了测量,并利用实验结果对湍流模型进行了校核;对所研究模型的网格无关性进行了验证,在此基础上,采用实验给定的边界条件,研究了存在装配间隙泄漏流的端壁在不同气膜孔布置下的气膜冷却特性及气动损失特性,详细分析了5种冷气吹风比(M=0.5,1.0,1.5,2.0,2.5)和4种气膜孔布置下端壁气膜冷却特性和气动特性。结果表明:对于气膜孔布置A(S=0.065C_(ax),γ_(2)=-56.6°,S为第二组气膜孔到装配间隙的距离,C_(ax)为叶片轴向弦长,γ_(2)为第二组气膜孔复合角),吹风比为0.5时,端壁气膜冷却效率最大,随着吹风比的增大,气膜孔出口冷气脱离端壁表面,气膜孔周围的气膜冷却效率下降;4种不同气膜孔布置下叶栅出口处近端壁区域的总压损失系数均随着吹风比的增大而降低,其中气膜孔布置A的降低幅度最大;低吹风比(M=0.5)时,气膜孔布置对端壁气膜冷却特性影响较小;高吹风比(M=2.5)时,气膜孔布置D(S=0.1C_(ax),γ_(2)=30°)端壁气膜冷却效率最高。

关键词：透平端壁气膜冷却气膜孔布置

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数据驱动在透平叶片冷却设计中的应用进展

动力工程学报 2024年第11期44卷 1780-1789页

作者：高尚鸿汪翔宇张韦馨杨克峰丰镇平西安交通大学能源与动力工程学院西安710049

从燃气轮机透平叶片冷却设计角度,总结了近年来国内外研究者对数据驱动方法的研究及其应用进展。介绍了数理统计、机器学习以及深度学习等3类数据驱动方法,阐述了数据驱动方法相对于实验和数值仿真的优势,重点归纳了数据驱动方法在对透... 详细信息

从燃气轮机透平叶片冷却设计角度,总结了近年来国内外研究者对数据驱动方法的研究及其应用进展。介绍了数理统计、机器学习以及深度学习等3类数据驱动方法,阐述了数据驱动方法相对于实验和数值仿真的优势,重点归纳了数据驱动方法在对透平叶片冷却特性的预测和不确定性量化、对数值仿真中的湍流模型改进,以及对现有数据和知识的融合能力等方面的应用。基于当前研究热点和发展趋势,提出了燃气轮机透平叶片冷却设计中数据驱动方法下一步应重点开展的方向,包括发掘数据融合的潜力,提高泛化能力,降低数据成本,并进一步研究数据处理方法,对比不同数据驱动方法的优劣,发展适用于复杂冷却设计的数据驱动方法等。

关键词：燃气轮机叶片冷却数据驱动数据融合深度学习

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燃气透平叶栅端壁冷却研究进展

动力工程学报 2024年第9期44卷 1340-1352页

作者：丰镇平刘钊陆熠璇张韦馨谢晔航丁玉强宋宇西安交通大学能源与动力工程学院西安710049

燃气透平叶栅端壁区域的流动呈现高度复杂的强三维特性,端壁冷却设计不仅需要考虑端壁强烈的二次流对冷却特性的影响,也需要考虑冷却布局对近端壁流动与换热特性的影响。针对燃气透平叶栅端壁冷却需求,结合数值模拟和试验测试方法,系统... 详细信息

燃气透平叶栅端壁区域的流动呈现高度复杂的强三维特性,端壁冷却设计不仅需要考虑端壁强烈的二次流对冷却特性的影响,也需要考虑冷却布局对近端壁流动与换热特性的影响。针对燃气透平叶栅端壁冷却需求,结合数值模拟和试验测试方法,系统研究了不同冷气质量流量比条件下,离散气膜孔、泄漏流、端壁改型等措施对端壁表面气膜冷却、换热、流动及叶栅气动特性的影响。结果表明:采用合适的气膜孔射流角和布局、泄漏流冷却单元几何结构和端壁表面微尺度肋等方式可以有效提高端壁表面的气膜冷却有效度;上游槽缝及轮缘密封泄漏流可以对端壁上游及前半部分近吸力面区域提供较好的冷却保护,而叶片装配间隙泄漏流对于端壁下半部分靠近叶片吸力面区域的冷却更加有利;扇形气膜孔布置及曲线型装配间隙不仅能提高气膜冷却有效度,还可以有效控制气动损失。

关键词：燃气透平叶栅端壁气膜冷却泄漏流端壁改型