涡轮叶片前缘气膜冷却换热实验

针对某型涡轮叶片放大模型的前缘冷却结构气膜冷却效果开展了细致的实验研究,利用红外热像仪测量了叶片表面的温度场分布,分析了前缘的气膜孔倾角、吹风比、主流雷诺数等参数对绝热冷却效率和压力损失的影响.实验中前缘的3排气膜孔倾角变化范围是35°~90°,主流雷诺数变化范围是76112~142624,吹风比变化范围是0.44~2.64.结果表明:气膜孔倾角越小,前缘驻点附近的气膜覆盖效果越好;气膜孔倾角为45°的叶片压力损失系数最小,气膜孔倾角为75°的叶片压力损失系数最大;主流雷诺数增大,绝热冷却效率下降,压力损失系数增加;吹风比增大到1.32时,绝热冷却效率达到最大,吹风比再增大绝热冷却效率反而下降.      

多斜孔平板总冷却效率及其梯度分布试验研究

为了发展燃烧室先进冷却技术,在吹风比0.35～3.28下试验研究了多斜孔平板的总冷却效率及其梯度。研究所用的多斜孔平板具有与典型航空发动机燃烧室相似的交叉排列多斜孔布局,但采用低导热系数材料制成,以展示和分析多斜孔平板的传热过程。采用红外成像技术测量了多斜孔平板的表面2维温度场,从而获得壁面总冷却效率及其梯度的分布。试验结果表明:随着吹风比从0.35增大到3.28,多斜孔平板在充分发展区域的展向平均冷却效率从0.61先增大到0.70后减小到0.67,原因是总冷却效率实质上得益于多斜孔内部的对流换热和冷却气膜的覆壁保护作用。     

涡轮动叶表面换热特性的试验研究

航空发动机性能的提高对涡轮叶片耐热极限提出了更高的要求,为了更准确地分析涡轮叶片的传热特性,选取某型气冷涡轮动叶10%、50%和90%叶高的特征型面通过低导热光敏树脂材料经过3D打印而成,通过叶片表面粘贴厚度为0.02mm康铜加热膜接通恒定电流加热,使用红外热像系统精确测量叶片壁面温度,在平面叶栅中研究了吹风比(M)和雷诺数(Re)对气膜绝热冷却效率和努塞尔数(Nu)的影响(试验中基于弦长的进口雷诺数Re为8.0×10⁴-16.7×10⁴,吹风比M为1-3)。试验结果表明：M=1时气膜能够较好附着在叶片表面,叶片表面得到较好冷却;随着主流雷诺数的增加,绝热壁面温度逐渐升高,绝热效率逐渐降低;吹风比对涡轮叶片的传热特性的影响与气膜孔出流角度有关,随着吹风比的增大,压力面绝热冷却效率逐渐增大,由于吸力面的气膜孔出流角较大,吹风比增大使得吸力面的绝热冷却效率逐渐减小;随着吹风比的增加,对流换热系数增大。     

气膜-发散组合冷却结构换热特性的实验研究

为了研究气膜-发散组合冷却结构的冷却特征,保证相同的开孔率,设计了三种不同发散孔排布形式的组合冷却结构,采用实验的方法对气动参数和几何参数对绝热冷却效率和对流换热系数的影响规律开展了研究。结果表明:绝热冷却效率和对流换热系数沿主流方向先逐渐降低,达到最低点后沿流动方向二者基本保持不变;在研究参数范围内,主流雷诺数和吹风比对绝热冷却效率的影响不大,但对组合冷却结构的对流换热系数影响较大,随着主流雷诺数和吹风比的增加,对流换热系数均呈现逐渐增大的趋势;针对三种发散孔排布形式的绝热冷却效率和对流换热系数,流向间距大的气膜发散冷却结构最高,流向间距居中的气膜发散冷却结构次之,流向间距最小的气膜发散冷却结构最低。     

2.5D编织结构复合材料温度场特征研究

考虑到编织结构陶瓷基复合材料（CMC）在涡轮叶片等航空发动机高温部件应用时，材料内部编织结构特征会导致高温部件的温度场存在波动性。为了研究复合材料温度场的波动特征，以2.5D编织结构复合材料为例，分别建立了基于等效导热系数的均匀化平板模型和基于材料全尺寸细观编织结构的平板模型，计算对比了两种平板模型的温度场分布及内部热量传输特征，同时探究了材料内部编织结构的角度、纤维束轴向与径向导热系数比、纤维束与基体导热系数比等材料结构特征参数和热物性特征参数对材料表面温度波动的影响规律，并开展了编织结构平板的温度场测试实验。研究结果表明：与基于等效导热系数计算得到的平板温度场相比，基于全尺寸编织结构平板模型得到的温度场存在明显的波动特征，当平板内部平均温度梯度为25383K/m时，表面温度波动幅值达到12.41K，表面最高温度由906.96K增加到911.60K，并且在平板内部热量的传输方向沿着纱线发生明显的偏转。同时，随着纱线编织角度的增加，材料表面温度波动幅值下降，但表面的高温区域增加，沿着经纱轴向的温度波动频次增加。随着纤维束轴径向导热系数比的增加，材料表面的高温区域基本不变，温度波动幅值小幅下降，均匀性增强；随着纤维束与基体导热系数比的增加，材料表面的高温区域增加，温度波动幅值降幅较大，均匀性得到较大提高。在本文的研究范围内，当边界温度达到1600K时，基于等效导热系数的方法无法准确地预估复合材料的温度场。     

涡轮导叶压力面气膜孔排位置对气膜冷却特性的影响

为了研究气膜孔排位置对气膜冷却特性的影响,在涡轮导叶压力面布置了4排单排扩张型气膜孔(分别用PS1～PS4表示)并在跨声速风洞中进行了实验,通过气膜孔排下游的热电偶获得了气膜冷却效率和换热系数。叶栅进口雷诺数Re为3.0×105～9.0×105,PS1～PS4的吹风比BR为0.5～2.0,叶栅出口马赫数为0.8。实验结果表明:PS1位置的顺压梯度较大导致下游冷却效率随吹风比增大而升高,PS2下游小于30D (D为气膜孔直径)的区域最佳吹风比为BR=1.2,而大于30D的区域BR=2.0时气膜冷却效率最高。吹风比相同时,PS1由于孔的倾角较大导致其冷却效率低于PS2,而具有相同倾角的PS2,PS3,PS4冷却效率逐渐减小。除了PS2在BR=0.5时的工况,其它工况下冷气射流与主流的掺混导致PS1～PS4下游的换热系数比都大于1,PS2和PS3下游的换热系数比随吹风比增大而增大,PS1和PS4下游的换热系数比受吹风比影响较小。综合考虑气膜冷却效率和换热系数,在相同冷气量时PS2的冷却效果是最好的。     

双向扩张孔出口宽度对气膜冷却特性影响

采用窄带液晶瞬态测温技术,研究了圆柱孔和不同出口宽度双向扩张孔气膜冷却特性。主流雷诺数为6500,吹风比为1.0和2.0。双向扩张孔入口宽度为1.5倍孔径,出口宽度分别为1.5倍、2.0倍和2.5倍孔径。结果表明:吹风比为1.0时,出口宽度对气膜冷却效率和换热系数二维分布影响较小。吹风比2.0时,增加出口宽度不仅改变了气膜冷却效率和换热系数分布,还增大了径向平均冷却效率值,减小了径向平均换热系数值。双向扩张孔出口宽度增大到2.5倍孔径时,面平均冷却效率较圆柱孔增加118.2%,面平均换热系数降低14.3%。吹风比为2.0时,与圆柱孔相比,出口宽度增加逐渐改变了气膜冷却效率和换热系数二维分布。双向扩张孔出口宽度增大到2.5倍孔径时,面平均冷却效率增加了219.4%,面平均换热系数降低了27.2%。     

旋转状态下气膜冷却换热系数的实验

采用平板叶片模型,测量了静止和旋转状态气膜冷却换热系数(hg)的分布规律,重点研究旋转对气膜冷却换热系数的影响。测试表面气膜孔直径D=4 mm,流向倾角α=30°,展向倾角φ=90°。实验转速ω=0,800 r/min,主流雷诺数ReD=3 191,吹风比M=0.4~2.0,密度比DR=1.02。采用宽幅低温液晶测量叶片表面的温度场。结果表明,旋转使得气膜在展向上发生较明显的偏转,且吸力面上气膜偏转程度要大于压力面;吹风比对换热系数的影响较大,且这种影响在静止与旋转状态差别很大。     

亚声速涡轮导叶前缘气膜冷却特性实验研究

为了获得亚声速涡轮导叶的前缘气膜冷却特性,在短周期高速风洞中对涡轮导叶前缘后倾扩张型孔气膜冷却试验件进行了实验,获得了涡轮叶片表面在不同主流雷诺数(Re=3.0×10~5～9.0×10~5)、二次流吹风比(M=0.5～2.4)和主流湍流度(Tu=1.3%,14.7%)下的气膜冷却效率和换热系数分布。实验叶片前缘有8排后倾扩张型气膜孔形成前缘喷淋冷却结构。结果表明:叶片前缘和压力面冷却效率随着吹风比的增大而升高,吸力面冷却效率随着吹风比的增大先升高后降低,最佳吹风比为0.8;在主流雷诺数(Re=3.0×10~5～9.0×105),改变雷诺数对叶片表面冷却效率的分布规律影响较小;叶片表面冷却效率随着湍流度的升高而降低,在小吹风比M=0.5下,高主流湍流度下的平均冷却效率降低50%左右,在M=2.4工况下,高湍流度下的平均冷却效率降低10%左右;叶片前缘冷气出流区域和压力面相对弧长为-0.4S/Smax-0.3的冷气重新贴附壁面区域换热系数比较高;高主流湍流度下,换热系数比较小,且吹风比变化对换热系数比的影响较小。     

液晶测温法对平板气膜冷却的实验研究

采用热色液晶测温法, 对沿流向倾角30°的圆孔排平板气膜冷却进行了实验研究.测量了绝热壁温、壁温等温度场.研究了吹风比、孔排等因素对气膜冷却效果和换热系数的影响.结果表明:吹风比对气膜冷却效果的影响很大, 冷却效果随吹风比的增大而降低;圆孔气膜冷却效果沿横向位置波动较大, 孔之间容易形成冷却死区.利用液晶测温技术可以很好地反映气膜冷却区域及冷却效果等.      

致密孔阵气膜冷却绝热温比和对流换热系数的数值研究

采用数值模拟方法研究了气膜孔叉排方式下孔间距和吹风比对致密孔阵气膜冷却绝热温比和对流换热系数的影响.结果表明:减小相邻孔间距与孔径比或增加吹风比,平均壁面温度就越低,且温度分布更为均匀,绝热温比提高,热侧壁面平均换热系数也随之增大;相对于增加气膜孔阵的密集程度而言,吹风比的增加所带来的绝热温比改善和对流换热系数增加幅度略有减弱.特别是当吹风比大于1以后,吹风比的影响程度比较微弱.      

沟槽平板颗粒沉积特性和气膜冷却性能

通过将平板上的气膜冷却孔嵌入横向沟槽中,探究沟槽深度对平板颗粒沉积分布和气膜冷却性能的影响。结果表明:沟槽结构的存在改善了平板表面的颗粒沉积情况和气膜冷却性能,并将一定颗粒阻隔在沟槽内部。在同一吹风比下,沟槽深度的增加使得整体的颗粒碰撞效率增大。在吹风比较小时,3种沟槽深度的结构减小了平板颗粒的沉积和捕获,并改善了冷却孔下游气膜冷却效率。但在大吹风比下,不同沟槽深度改善颗粒沉积分布和气膜冷却效率方面各有差异。对比不同沟槽深度结构在各个工况下的性能,沟槽深度为0.8倍孔径的结构在改善颗粒沉积分布的同时也能兼顾提升气膜冷却孔下游的气膜冷却效率。      

气膜孔结构对涡轮导叶端壁冷却效率的影响研究

对涡轮叶栅端壁上游4种气膜冷却结构模型进行了数值模拟,得出在不同吹风比情况下涡轮叶栅端壁的流动与换热特性。结果表明,无槽气膜孔冷气射流在孔下游与主流相互作用形成1对转动方向相反的耦合涡,主流被卷入耦合涡并冲击到了端壁,使得孔间壁温接近主流温度,气膜冷却效率很低;带槽气膜孔抑制了耦合涡的形成,冷却了孔间端壁,气膜冷却效率较高,而且,随着槽深度的增加,冷气的展向(Y向)宽度逐渐增加,扩大了冷气覆盖区域,提高了端壁气膜冷却效率。     

离散孔切向进气气膜冷却效率的实验

采用红外热像仪对具有不同孔径和排列方式的离散孔切向进气的气膜冷却结构的绝热壁温进行了测试,获得了气膜冷却效率随吹风比和无量纲流向距离变化的经验关联式。研究结果表明,在本文研究的参数范围内,离散孔切向进气气膜冷却的冷却效率随吹风比和气膜孔直径的增大而上升;在气膜孔板开孔率和吹风比相同时,由排型引起的冷却效率差异不是很大。      

梯形突片气膜冷却特性的实验

为了研究突片对气膜冷却的影响规律,设计了3种不同堵塞比的梯形突片,采用红外摄像仪对不同形状突片冷却结构的壁面温度场进行了测试,并对气膜冷却特性的影响规律进行了实验研究.研究结果表明,与无突片的气膜冷却相比,突片的存在大大提高了气膜冷却效率和对流换热系数;冷却效率沿气流方向存在一个最佳吹风比值;对流换热系数在本实验范围内,堵塞比为0.214时气膜冷却对流换热系数最大.      

射流角度对姊妹孔气膜冷却效果影响实验研究

为了分析主孔与侧孔射流角度对逆向射流姊妹孔平板模型气膜冷却效率影响,采用压力敏感漆(PSP)技术对单孔顺流与5种姊妹孔在四种吹风比(BR)下的绝热气膜冷却效率进行研究。结果表明姊妹孔在所有吹风比下气膜冷却效果均优于单个圆孔正向射流。低吹风比(BR=0.5)时,姊妹孔气膜冷却效果相近,但顺流姊妹孔气膜冷却效果最佳;中吹风比(BR=1)、高吹风比(BR=1.5,2)下,侧孔顺流的逆向射流姊妹孔气膜冷却效果最佳,相比于单孔射流的面平均气膜冷却效率可提高366%,677%,727%。逆向射流可令姊妹孔获得更高的气膜覆盖率,具有复合角度的侧孔射流可在低、中吹风比下增加逆流姊妹孔的展向气膜覆盖率,但在高吹风比下,对姊妹孔下游流向气膜冷却效果产生较差影响。     

超声速气膜冷却数值模拟

应用SST k-ω湍流模型,对三维粘性掺混流场进行了数值模拟,得到了切向入射的超声速气膜在不同吹风比和冷却通道下的绝热温比分布.计算结果表明:吹风比是决定超声速气膜冷却效果的重要因素,吹风比增大,冷却效果随之提高;冷却通道不同,冷却效率的分布规律也不同,矩形孔在出口处存在冷却效果较低的区域;离散孔冷却通道在下游和冷却通道中间线上的冷却效果存在明显差异,侧向倾角的引入使这种差异消失;扩散孔和侧向倾角两种结构上游冷却效果好,但下游衰减更快;引入的评价参数可以为比较不同的气膜冷却方式提供参考.      

轴向收敛造型对燃气涡轮叶栅端壁气膜冷却性能的影响

为有效评估轴向收敛造型对端壁气膜冷却性能的影响,数值研究了不同吹风比下,轴向收敛造型对跨声速燃气涡轮叶栅端壁上游双排离散孔绝热气膜冷却效率的影响。模拟某工业燃气涡轮真实运行工况（进口湍流度为16%、出口马赫数为0.85、出口雷诺数为1.5×106）,采用基于“两类热边界条件”模型的壁面传热系数和绝热冷却效率数值预测方法,比较分析了3种吹风比（1.0、2.5、3.5）下,简化平板端壁结构和轴向收敛造型端壁结构的端壁热负荷分布、绝热气膜冷却效率分布和近端壁二次流场结构,以及端壁上游气膜孔射流对叶片表面的二次冷却作用（幻影冷却）。结果表明:轴向收敛造型可以削弱马蹄涡强度,降低端壁热负荷,尤其是叶片肩部区域;轴向收敛造型可以显著增加端壁气膜覆盖范围和绝热气膜冷却效率,尤其在叶片前缘和压力面等难以冷却区域;随吹风比增加,轴向收敛造型对端壁气膜冷却特性的影响效果先增加后减小,在设计吹风比为2.5时,轴向收敛造型对端壁绝热气膜冷却效率的增强效果最显著（增加约35%）;轴向收敛造型显著增加叶片前缘和压力面幻影冷却面积,尤其是叶片前缘附近面积增加约100%（设计吹风比下,冷却区域达0.1倍叶高）,可有效减小叶片冷却的冷气需求流量。轴对称收敛端壁造型是进一步提高燃气涡轮叶栅端壁绝热气膜冷却效率、减小冷气流量,实现端壁高效冷却布局的有效技术途径。      

气膜孔内局部堵塞对气膜冷却特性的影响

在吹风比为0.3~1.5,堵塞比为0.1~0.5范围内,对平板上单排倾斜气膜孔内局部堵塞所引起的冷气射流流动和冷却特性变化进行了数值研究,分析了堵塞比、堵塞位置和吹风比对绝热气膜冷却效率的影响.在研究参数范围内的研究结果表明:气膜孔出口端前缘的局部堵塞有利于抑制肾形涡,对气膜孔下游的绝热气膜冷却效率有改善作用,并且随着堵塞比和吹风比的增加,对冷却效果的改善越为明显.而在气膜孔出口端尾缘或侧边的堵塞则在较大的堵塞比下削弱气膜冷却效果.相对于气膜孔出气端的局部堵塞,在气膜孔进气端和中部的堵塞对绝热气膜冷却效率的影响要微弱得多.