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冷却涡轮定常/非定常流场的内外耦合快速计算方法

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航空动力学报 2015年第10期30卷 2462-2471页

作者：田勇季路成邵卫卫肖云汉中国科学院工程热物理研究所先进能源动力重点实验室北京100190 中国科学院能源动力研究中心江苏连云港222069 中国科学院大学物理学院北京100049 北京理工大学宇航学院北京100081

通过源项传递的方法将计算叶片内部流动与冷却的流体网络法与计算叶片外部冷却的源项模拟法耦合起来并嵌入到叶片外部三维气动计算程序中,实现了整个冷却涡轮叶片流热环境的快速模拟.基于此方法编写了计算机程序CTUCP.首先将程序应用到... 详细信息

通过源项传递的方法将计算叶片内部流动与冷却的流体网络法与计算叶片外部冷却的源项模拟法耦合起来并嵌入到叶片外部三维气动计算程序中,实现了整个冷却涡轮叶片流热环境的快速模拟.基于此方法编写了计算机程序CTUCP.首先将程序应用到涡轮静叶栅C3X的定常冷却计算中,并与CFX的计算结果进行了对比,结果表明:CTUCP计算稳定、计算速度要快一个数量级以上,并且对叶片表面前缘之外区域的温度分布总体趋势预测基本相符.然后将程序应用到C3X脉动冷却的计算中,计算了两种冷气进气脉动幅度下叶片的冷气与壁温脉动特点.

关键词：涡轮冷却源项模拟流体网络脉动冷却耦合计算

空-油换热器对变循环航空发动机总体性能的影响研究

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推进技术 2023年第2期44卷 32-41页

作者：温奇裴鑫岩田鸿宇侯凌云清华大学航空发动机研究院北京100084

为解决变循环涡扇发动机涡轮前温度和涡轮冷却气体温度升高使得涡轮冷却效果降低的问题,以航空燃料作为冷源降低涡轮冷却气体温度,将空-油换热器应用在变循环发动机中,建立了变循环发动机的性能仿真模型。同时引入空油换热的冷却性能计... 详细信息

为解决变循环涡扇发动机涡轮前温度和涡轮冷却气体温度升高使得涡轮冷却效果降低的问题,以航空燃料作为冷源降低涡轮冷却气体温度,将空-油换热器应用在变循环发动机中,建立了变循环发动机的性能仿真模型。同时引入空油换热的冷却性能计算模型,评估采用超临界航空煤油作为冷却介质后,考虑航空煤油超临界喷射、燃烧、涡轮冷却、冷却空气流量、耗油率等参数及相关性能的影响,构建了以超临界航空煤油为纽带的燃烧/冷却热耦合的能量交互分析方法。利用所建立的变循环发动机仿真模型,开展了起飞、快速爬升、超声速巡航、超声速加力和最大推力5种典型飞行状态的总体性能计算,通过比对是否使用空-油换热器对涡轮静叶冷却的计算结果,分析了各个状态下空油换热对变循环发动机总体性能的影响。结果表明:在起飞状态时,采用空-油换热器可以较明显提升发动机总体性能,降低单位燃油消耗率1.86%和提升推力0.95%。因此,通过空-油换热器对变循环航空发动机涡轮冷却气体进行冷却可以有效提高发动机不同状态的性能水平。

关键词：变循环发动机空-油换热器涡轮冷却仿真模型总体性能分析

采用管道网络法的燃气涡轮冷却结构气热耦合数值研究

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采用管道网络法的燃气涡轮冷却结构气热耦合数值研究

作者：刘明林哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

随着燃气轮机技术的迅猛发展，目前燃气轮机在陆用发电等相关领域被广泛采用。涡轮叶片内部的冷却空气系统是燃气轮机中最为重要的系统，冷却空气系统设计是否合理，直接决定了燃气透平能否在可靠环境中安全运行。管道网络法是涡轮叶片... 详细信息

随着燃气轮机技术的迅猛发展，目前燃气轮机在陆用发电等相关领域被广泛采用。涡轮叶片内部的冷却空气系统是燃气轮机中最为重要的系统，冷却空气系统设计是否合理，直接决定了燃气透平能否在可靠环境中安全运行。管道网络法是涡轮叶片热分析的基础，它能够快速的模拟叶片内部复杂流路的流动和换热情况，因而在航空发动机燃油输运以及空气冷却系统的设计、校核和改进中得到了广泛应用。本文将管道网络法应用到燃气涡轮叶片内部冷却结构中，通过对已有冷却方案进行管网计算，来指导燃气涡轮叶片内部空气系统的设计和改进。本文详细推导了管网计算所涉及到的控制方程，通过对控制方程线性化处理，使计算收敛速度加快、稳定性提高;为了验证管网计算程序的正确性，本文选用带有实验数据的高负荷Mark II导向叶片5411实验工况，对管道网络法进行了验证，通过验证说明本文提出的燃气涡轮内部流体管网计算、叶片外部换热计算以及管网耦合计算的思路是可行的;将经过验证的管网计算程序应用到燃气涡轮某型高压动叶中，结合CFX三维计算结果，通过给定冷气侧壁面温度边界，在旋转和静止状态下，分析对比了该型高压动叶内部流体的流动和换热特性，由计算结果可知管网程序计算的冷气进出口流量精度较高，可以为实验提供可靠的数据支持，而且叶片旋转改善了其内部冷气流动和换热状况，这表现在叶片各冷却通道冷气流量增大、冷气与叶片内壁面的换热增强。

关键词：燃气涡轮涡轮冷却管网计算气热耦合

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燃气涡轮复合冷却结构改进设计研究

燃气涡轮复合冷却结构改进设计研究

作者：辛亚楠哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

一直以来燃气轮机产业受到各国的广泛重视,我国在燃气轮机技术上相对落后,在关键技术上又受到欧美技术领先国家的封锁,长期依赖进口国外产品,随着国内对燃气轮机需求的不断增加,必须独立自主的发展属于我们自己的燃机工业。燃气轮机热... 详细信息

一直以来燃气轮机产业受到各国的广泛重视,我国在燃气轮机技术上相对落后,在关键技术上又受到欧美技术领先国家的封锁,长期依赖进口国外产品,随着国内对燃气轮机需求的不断增加,必须独立自主的发展属于我们自己的燃机工业。燃气轮机热端部件的热防护是燃气轮机核心技术之一,随着涡轮前燃气温度的不断提高,已远远超过了材料的可承受能力,必须采用合理的防护措施以保证涡轮正常工作。传统的涡轮叶片冷却技术包括气膜冷却、冲击冷却和肋柱扰流等,现代燃气涡轮叶片多采用复合式的冷却方式。本文的主要工作是采用气热耦合的方式对某F级重型燃机一级导叶进行数值模拟计算,根据计算结果研究影响复合式冷却结构冷却效果的影响因素,对叶片冷却结构的设计进行改进,提高整体冷却效率,降低损失。本文原型叶片结构复杂包括了气膜冷却、冲击冷却、肋柱扰流和尾缘劈缝等冷却结构,首先通过对原型叶片的冷却效果分析采取了对梯形气膜孔改型的方式达到了改善气膜冷却效果的目的;然后加入端壁冷却结构,研究了端壁冷却与叶片冷却的联系,对带端壁冷却叶片存在的问题进行分析,采取了增大气膜孔截面积、增加端壁冷气通道和添加不均匀入口条件等方式,并对各条件改变对冷却效果和流动的影响进行了分析。通过对不带端壁和带端壁叶片的改型和多次计算,最终定型的叶片在冷却效果上达到了叶片表面温度低于1200K的要求,相比原型及历次改型叶片能量损失也较低。本文的研究工作为某F级重型燃机的涡轮一级导叶的设计打下了良好的基础,后续可在此研究基础上对端壁冷却、气膜孔优化和减小损失等方面进行深入研究。

关键词：重型燃机涡轮冷却数值模拟气热耦合

冷热电联供系统径流涡轮流场及其动叶栅气膜冷却数值研究

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冷热电联供系统径流涡轮流场及其动叶栅气膜冷却数值研究

作者：姜良哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

冷热电联供系统作为一种典型的分布式发电技术,在21世纪电能产业中占据日益重要的地位。这种以微型燃气轮机为核心的供能系统,能够极大的提高能源利用率,国外许多发达国家率先开始研究应用;国内因为能源分布、消费观念以及技术等方面的... 详细信息

冷热电联供系统作为一种典型的分布式发电技术,在21世纪电能产业中占据日益重要的地位。这种以微型燃气轮机为核心的供能系统,能够极大的提高能源利用率,国外许多发达国家率先开始研究应用;国内因为能源分布、消费观念以及技术等方面的一些因素,微型燃气轮机技术存在较大的市场空间。微型燃气轮机通常以径流涡轮作为核心做功部件,以满足流量、效率等性能方面的需求。但是径流涡轮内部流动具有强烈的三维效应,高速旋转使得哥氏力和离心力影响较大,结构设计和实验研究均存在不小的困难。同时高温产生的热应力对材料强度提出较大的挑战,需要布置合理的冷却结构以保证涡轮的正常运行。本文针对冷热电三联供系统内高温径流涡轮,进行高效率方案设计。同时以叶轮进口型线为突破点,优化改型进一步提高涡轮效率,并详细分析了这种型线的作用机理。最后分别在径流涡轮叶轮与端壁处设计冷却结构,减小高温热应力。研究结果表明:设计得到的径流涡轮轮轴效率达到79.3%,流道内因压差产生的叶顶泄漏是径流涡轮内的主要损失。叶轮进口型线采用合适的前弯角度,可以改善前缘根部叶片载荷分布,减少叶顶泄漏损失,提高涡轮效率;本文设计叶轮采用合适的前弯型线,涡轮效率可以提高1.1%。在径流涡轮动叶叶轮与端壁增设气膜冷却结构是可行的,合理的冷却方案可以有效降低固壁表面温度。其中叶轮表面气膜覆盖很大程度受到叶片表面附近主流影响,冷气出流与表面极限流线分布规律类似。本文设计径流涡轮叶片较薄,热传导作用较强,因此吸力面与压力面温度分布规律基本一致,但是气膜冷却效果在吸力面侧优于压力面;设计方案最佳冷气流量约为主流2.5%。

关键词：径流涡轮气动设计优化改型涡轮冷却气热耦合

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船用燃气轮机预旋系统增压设计及仿真

热能动力工程 2023年第12期38卷 149-155页

作者：李于来李东明刘宇刘言明中国船舶集团有限公司第七○三研究所黑龙江哈尔滨150078 船舶与海洋工程特种装备和动力系统国家工程研究中心-燃气轮机研发与检测实验室黑龙江哈尔滨150078

为了提高船用燃气轮机进口燃气压力和温度,涡轮冷却空气应当具备更大的压力来满足叶片表面气膜冷却的需求。本文优化现有的预旋系统,通过在供气孔入口布置增压叶轮,减少气流经预旋喷嘴射入盘腔和经盘腔进入供气孔的突扩损失。运用数值... 详细信息

为了提高船用燃气轮机进口燃气压力和温度,涡轮冷却空气应当具备更大的压力来满足叶片表面气膜冷却的需求。本文优化现有的预旋系统,通过在供气孔入口布置增压叶轮,减少气流经预旋喷嘴射入盘腔和经盘腔进入供气孔的突扩损失。运用数值计算的方法对预旋系统模型进行研究,所采用的计算模型和冷吹实验与1.0设计工况数据对比具有较好的精度。研究表明:增压预旋系统和常用预旋系统具有相似的流场结构,但预旋腔内形成的涡更小,有效抑制了气流在腔内的总压损失;在增压叶轮和结构改进的作用下,冷气相对总压提高2.90%,绝对总压提高4.59%,同时增压所产生的温升变化较小,提高了冷却空气的冷却能力。

关键词：燃气轮机预旋系统增压设计涡轮冷却

某型发动机喷口转换、α_2调节和涡轮冷却故障分析

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航空维修与工程 2017年第6期 68-71页

作者：王天元杨宏罗文欢王轶谌青军成都航利(集团)实业有限公司

针对某型发动机喷口转换、α_2调节和涡轮冷却故障,采用理论分析、分解检查、故障模拟等方法,找到了引发故障的多余物并确定了其来源,制定了改进措施,避免了该类故障的再次发生,可为类似故障的分析提供参考。

关键词：主泵调节器喷口转换 α2调节涡轮冷却金属屑

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高温涡轮交叉肋冷却通道的流动换热特性研究

节能技术 2021年第3期39卷 225-231页

作者：白超郭兆元中国船舶重工集团公司第705研究所陕西西安710077 哈尔滨工程大学动力与能源学院黑龙江哈尔滨150001

本文在给定通道大小的条件下,研究了不同肋倾角、肋宽/子通道宽和不同子通道数7种方案在雷诺数10000~50000范围内的流动和换热情况。研究结果表明,交叉肋对子通道的流动影响十分显著,会产生二次流和纵向涡,能够大幅度地增强冷却通道的... 详细信息

本文在给定通道大小的条件下,研究了不同肋倾角、肋宽/子通道宽和不同子通道数7种方案在雷诺数10000~50000范围内的流动和换热情况。研究结果表明,交叉肋对子通道的流动影响十分显著,会产生二次流和纵向涡,能够大幅度地增强冷却通道的换热能力,但同时也会使阻力损失急剧上升。当肋倾角减小或者肋宽/子通道宽增大时,通道的换热能力和阻力损失均会增加,当子通道数增加时,换热能力增强。而对于阻力损失,通道数为14的最大,通道数为6的次之,通道数为10的最小。

关键词：交叉肋通道涡轮冷却流动换热阻力损失

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涡轮叶片内冷通道高性能肋流动与传热

工程热物理学报 2018年第1期39卷 55-61页

作者：王德强饶宇张鹏许亚敏上海交通大学机械与动力工程学院叶轮机械研究所上海200240

涡轮叶片内部冷却通道内壁面布置扰流肋是一种高效的强化传热措施.本文在8500~60000雷诺数范围内,对直肋、斜肋、V肋和W肋开展实验研究,得到了四种肋的换热和流阻特性.实验结果表明:1)W肋具有最高的平均努塞尔数,是光滑通道充分发展流... 详细信息

涡轮叶片内部冷却通道内壁面布置扰流肋是一种高效的强化传热措施.本文在8500~60000雷诺数范围内,对直肋、斜肋、V肋和W肋开展实验研究,得到了四种肋的换热和流阻特性.实验结果表明:1)W肋具有最高的平均努塞尔数,是光滑通道充分发展流动传热性能的2.2~2.6倍,其次是V肋和直肋,而斜肋的传热性能最低,约是光滑通道的1.7倍;2)W肋表现出最大的流阻性能,是光滑通道的2.5~3.7倍,其次是V肋和直肋,而斜肋流阻最小,约为光滑通道的1.8~2.5倍。W肋具有最优的综合热性能,而直肋的综合热性能最低。另一方面,本研究还通过瞬态液晶热像技术获得了W肋表面详细局部传热分布,实验结果表明W肋中间的顶点迎风区域是强换热区,该区域与气流相互作用,热边界层较薄,有效强化了换热能力。

关键词：涡轮冷却高性能肋传热流阻瞬态液晶实验