摘要：气膜冷却技术是高性能燃气涡轮设计的关键。本文研究并建立了涡轮叶片气膜冷却结构的半反设计优化方法。此方法以叶片的一维传热模型为基础,通过约束叶片的气膜冷却效率分布实现对叶片温度分布的半反设计;提出了基于三维CFD计算结果建立半反设计优化数学模型的方法,并采用组合优化问题遗传算法寻优得到满足设计约束且冷气量最小的气膜冷却布置方案。研究表明,气膜冷却半反设计优化方法能够设计叶片气膜布置方案并得到必要的冷气量,同时具有较高的设计效率。

摘要：针对某设计转速为1 500 r/min的涡轮动叶叶栅在780-1 680 r/min之间的4个转速工况,利用干冰作为示踪粒子进行了内流场的PIV(粒子图像测速技术)实验研究,获得了动叶叶栅流道中间截面及其下游区域的速度场和涡量场的二维分布并进行了比较分析。研究表明:利用PIV技术测量的瞬态结果可以很好地捕捉动叶栅尾缘分离涡的形成和发展过程;在所研究的实验工况以内,动叶出口及其下游区域速度随着动叶转速的增大而不断增大,流道内部气流速度随转速增加会出现先增大后减小的特点,叶轮输出功率与流道内部气流速度随转速变化的规律一致;在设计转速工况附近动叶流道的涡量场强度较弱,随着叶轮转速降低,叶栅流道内特别是动叶吸力面下游区域的涡量强度明显增强。

摘要：对燃气轮机涡轮叶片气膜孔进行参数化设计,分别在均匀加载和后加载导叶上布置了几何参数相同的全气膜冷却结构。采用数值模拟方法在不同供气压力和膨胀比下研究全气膜冷却特性,分析了叶型、供气压力和叶栅膨胀比等多因素对全气膜冷却效率的影响。结果表明:压力面前缘区域(l_c≤0.4)的绝热气膜冷却效率和吹风比受冷气供气压力影响很大,压力面中下游(l_c>0.4)和吸力面的绝热气膜冷却效率受冷气供气压力影响较小;增大冷气供气压力会诱发强烈通道涡,在吸力面形成低冷却效率三角区;气膜冷却相似设计总体上是可行的,叶型变化引起的复合角性能差异是相似设计冷却效率差异的主要来源;膨胀比的改变对冷却性能影响不大,主要影响射流的吹风比。

摘要：为考察速度脉动对平面液膜破碎过程不稳定性的影响,基于平面液膜雾化器,通过平面激光诱导荧光(PLIF)方法拍摄了液体扰动频率0~100 Hz下平面液膜的破碎过程。通过本征正交分解(POD)和图像识别程序提取了液膜的波动情况和厚度、破碎距离等参数。研究结果表明:无扰动时,液膜自身存在周期性脉动;速度脉动会强化液膜的周期性脉动及摆动,使液膜呈现出与扰动频率相同的周期性脉动;随着速度脉动频率的增大,液膜平均厚度和破碎距离先减小后增大,厚度和破碎距离的脉动幅度先增大后减小。

摘要：为考察液膜破碎及雾化特性,通过高速相机、平面激光诱导荧光(PLIF)和相位多普勒粒子分析仪(PDPA)对平面液膜的失稳、破碎及雾化全过程进行了试验研究。结果表明,平面液膜在预膜板上的液膜形态与气液速度比(λ)直接相关。随着气液速度比增大,平面液膜分别会呈现平滑表面(λ≤23)、波动表面(23<λ<70)和液膜剥离(λ≥70)三种形态。此外,平面液膜破碎过程中会形成叶瓣状、波纹状、孔状和韧带状的液带,液带形状主要取决于气流和液体速度。液膜破碎过程的破碎距离和横向不稳定波长与韦伯数、动量比以及液相雷诺数有关,液膜破碎后的雾化粒径随着气流速度的增大而减小,与液膜破碎过程的破碎距离和横向不稳定波长呈线性关系。

摘要：搭建了高温风洞环形叶栅试验台,分别对冷却叶片通蒸汽和空气进行冷却,利用红外热像仪测量叶片吸力面在这2种冷却介质冷却下的温度分布,并对这2种冷却介质冷却下的叶片的冷却性能进行了对比,研究表明:蒸汽冷却相对于空气冷却并不能明显改变叶片表面冷却效率分布特征,但是蒸汽冷却下叶片表面的冷却效率得到提高,相对温度明显降低,在流量比ω=0.026的设计工况下,叶片吸力面前部区域的平均冷却效率在蒸汽冷却下比空气冷却时提高了15.5%,相对温度降低0.011,叶片吸力面后部区域蒸汽冷却平均冷却效率比空气冷却提高了13.4%,相对温度降低0.017。相对于传统的空气冷却技术,蒸汽冷却的优势十分明显。

摘要：本文针对上海交通大学25 kW燃气轮机性能试验台的合成气燃烧室开展了设计研究,完成了燃烧室样机的加工与实验测试。研究过程中,首先对合成气燃烧室开展了结构设计;采用双旋流结构的燃烧器进行合成气燃烧火焰组织;采用了燃烧室头部贫燃方式(低当量比)设计以保证燃烧室低排放特性;利用双层壁冷却方式进行火焰筒壁面冷却。在燃烧室结构设计的基础上,利用数值方法系统分析了合成气双旋流非预混燃烧室工作特性,完成了合成气非预混母型燃烧室的设计优化。根据优化方案,完成了燃烧室样机的加工、安装,并进行了实验性能测试。实验结果表明实验工况该燃烧室燃烧稳定,NO_x排放小于25 mg/m^3@15%O_2。

摘要：针对燃烧室发散冷却性能的研究,设计了3头部扇段模型燃烧室进行冷热态对比实验.通过对模型环形燃烧室内外环面上的温度进行测量,讨论冷热态时综合冷却效率分布差异,并考察了冷却空气量与主流空气量之比对综合冷却效率的影响规律.结果表明:发散冷却在冷热态时的综合冷却性能差异显著,主要是由于燃烧反应的发生改变了燃烧室内流场和温度场,进而引起壁面热负荷变化;无论冷态还是热态,在旋流主流的作用下,内环面上的发散气膜相比于外环面更易吹离壁面.随着无量纲流量比的增加,面积平均综合冷却效率均随之增加,但增加幅度逐渐降低.

摘要：提出了一种适用于双层壁叶片的冷却设计流程。沿叶片的叶高和流向抽象提取出简单冷却单元,对其建立一维管网模型并进行多次管网计算,得出各个单元最优的冷却结构方案。将设计好的冷却单元映射回实际叶片中,并对叶片建立一维管网模型,经过多次冷却结构调整与计算迭代,得到叶片初步的冷却结构。对该叶片进行三维气热耦合计算,只需要局部冷却结构微调和少量的CFD计算,就可以得出最终的冷却设计方案。最终设计的叶片CFD计算得到的平均温度为1049 K,总冷气量为0.288 kg/s,与管网计算结果1059 K和0.337 kg/s相近。该设计流程方法简便,准确性高,人工工作量和仿真计算量小,优于传统的涡轮冷却设计流程。

摘要：针对燃气轮机低排放燃烧室的研究,设计了以甲烷为燃料采用预混燃烧的富油/焠熄/贫油(RQL)模型燃烧室。通过对RQL模型燃烧室内轴向温度和组分浓度分布,燃烧室出口温度分布及排放进行实验研究,分析了焠熄与主流空气流量之比,富油区当量比对燃烧性能和排放特性的影响规律。结果表明:典型RQL燃烧方式下富油区火焰颜色较暗,贫油区火焰为淡蓝色,燃烧室内轴线方向温度呈M型分布,NO_x主要在焠熄区生成。CO,UHC和O_2浓度在经历焠熄区时发生突变;出口NO_x和CO排放都较低。保持头部当量比不变,随着焠熄与主流空气流量比的增加,燃烧室出口平均温度下降,NO_x排放下降,CO排放上升。保持焠熄与主流空气流量比不变,富油区当量比小于1.4时,不能再实现RQL燃烧模式。