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。     

叶顶间隙对多级轴流涡轮气动特性影响的非定常数值计算

涡轮叶顶间隙对其气动特性产生非常明显的影响,为了研究叶顶间隙对涡轮效率以及叶片温度场分布的非定常影响,采用非线性谐波法对多级亚声速轴流涡轮进行了非定常数值计算,与实验结果进行对比后发现,对于本文研究对象,4阶次谐波是考虑计算成本与计算精度的优化值;R1叶顶间隙由0.5%叶高增大至1.5%叶高,涡轮效率降低了0.44%,R4叶顶间隙由0.5%叶高增大至1.5%叶高,涡轮效率降低了0.76%;叶片高温主要集中在近叶顶区域,尾缘温度梯度变化最为剧烈;叶栅级间干涉效应导致高温区温度的周期性波动,温度波动幅值不受叶顶间隙高度的影响但波动区间随间隙增大而升高,静叶相对动叶温度波动幅值较大,S2温度波动保持在11K左右。     

热辐射对气膜冷却叶片表面热负荷的影响

为了明确不同因素对叶片表面热负荷的影响规律,利用改进的WSGG模型,通过CFD数值仿真进行对流辐射耦合计算, 探明高温燃气辐射传热对叶片表面热负荷的影响。结果表明：进口压力、温度、黑体辐射温度和壁面发射率对叶片表面热负荷均 有一定影响,在进口总温从1750 K升高到2150 K的过程中,叶片表面温度整体升高幅度为250～300 K,而黑体辐射温度对叶片表 面温度的提升最高为40 K。在壁面发射率从0.3提高到0.8的过程中,叶片表面辐射热流密度随之增大,在吸力面和压力面局部区 域辐射热流密度增大了1倍。壁面发射率和高温燃气进口温度对叶片表面的温度和热流作用相当均匀,进口压力和黑体辐射温 度对叶片尾缘、前缘和压力面的热负荷影响远大于其他区域。在此基础上,提出了以进口总温、黑体辐射温度、余气系数和壁面发 射率为自变量,以辐射换热热流密度为因变量的辐射换热的经验准则关系式,获得了该经验关系式的拟合结果,并对该拟合精度 进行了计算,相对误差均小于5%。     

多级轴流涡轮叶片温度场非定常数值计算

针对多级亚声速轴流涡轮级间干涉的非定常现象,通过非线性谐波(NLH)法进行了非定常数值计算,加入AGS(Abu Ghannam Shaw)转捩模型的Spalart-Allmaras(S-A)湍流模型对转捩特性进行捕捉,与实验结果的对比验证了计算方法的可信性。研究结果表明,4阶谐波的NLH法在计算成本与计算精度间获得了较好折中;叶片前缘是关键的换热区域,静叶高温区主要集中在叶片前缘以及近叶顶区,转子叶片高温区主要集中在叶片前缘靠近叶顶区;转子叶片的相对运动不断切割静叶尾流,叶栅湍流场分布呈周期性变化,叶片高温区产生了明显的温度波动,其中Ⅱ级静叶高温区温度波动幅值达11K。     

热辐射对气膜冷却叶片冷却性能影响

针对一种带有气膜冷却结构的涡轮一级导向叶片进行气-固-热耦合数值模拟,通过比较考虑/不考虑热辐射的温比和综合冷却效率,分析了多种辐射因素对叶片表面温度和冷却性能的影响。结果表明:入口黑体辐射温度在1200~1900K之间,叶片表面发射率在0.3~0.7之间时,考虑热辐射作用均会使叶片表面温度明显上升。入口黑体辐射温度1600K,叶片表面发射率为0.5时,叶片压力面温度整体上升约100K,叶片表面最高温度点（1350K）温度上升约50K;气体辐射对叶片吸力面和尾缘区域造成5%左右的温升;考虑辐射作用使得叶片综合冷却效率下降,叶片前缘和压力面尽管布置密集的气膜孔仍然难以满足冷却需求,综合冷却效率下降至0.3以下。      

高压涡轮气冷叶片冷却掺混损失数值研究

为探索高压涡轮气冷叶片多排冷却孔出流对各排孔冷却掺混损失的影响,采用三维粘性流场数值模拟技术,对典型气冷叶片多排孔冷却射流流场和叶栅性能进行了研究,并将冷却掺混损失数值计算结果与Hartsel模型预测值进行了对比。研究结果表明:气冷叶片表面多排冷却孔射流相互作用对各排冷却射流与主流掺混引入的流动损失影响较小,各排射流冷却掺混损失相互独立具有简单的可叠加性质;叶片表面各区域冷却射流出流对叶栅性能影响程度有所不同,尾缘劈缝与吸力面冷却射流对叶栅性能影响较大,前缘区域次之,压力面冷却射流对叶栅性能影响较小;和数值计算结果相比,总压损失系数Hartsel冷却掺混损失模型预测值偏高,尤其对于尾缘和吸力面主流马赫数较大的区域,损失模型预测值为计算结果的2~4倍,而前缘和压力面预测值和计算结果符合性较好。     

一种鲁棒的数据驱动不确定性量化方法及在压气机叶栅中的应用

发展了一种基于预处理矩阵的数据驱动不确定性量化算法，以解决实际工程中面临的实测数据稀缺及分布形式复杂的不确定性量化问题。通过鲁棒性分析、正交基函数的重构、非线性测试函数验证了所发展方法的有效性和精度。基于实测的叶片前缘半径和来流攻角随机波动数据，以某高亚声速压气机叶栅为研究对象，采用自主发展的不确定性量化方法定量评估了不确定性因素对叶栅气动性能的影响。结果表明：在设计攻角和大攻角下叶栅真实的总压损失系数高于名义值的概率分别为83.6%和69.9%；大攻角工况下叶栅总压损失的分散度约是设计工况下的2.4倍；前缘半径耦合来流攻角的不确定性引起前缘绕流发生较大波动，是导致叶栅总体性能退化及性能分散的主要原因。     

局部规则涂层对气冷叶片测温影响的数值研究

为研究微细热电偶测温安装涂层对其测量精度的影响机理,基于气固耦合传热(CHT)方法,建立了接近真实气膜冷却叶片的三维模型,选择SST(shear stress transport) γ -θ湍流模型,对未喷涂氧化铝涂层与在叶片吸力面前缘、压力面前缘、压力面尾缘处喷涂氧化铝涂层后的气冷叶片表面温度进行数值研究。无涂层工况的数值计算结果与实验结果误差控制在5%以下,验证了数值方法的有效性。研究结果表明:涂层对近壁面燃气的流动特性产生显著影响;三种有涂层工况的数值计算结果表明,压力面前缘处比吸力面前缘处温差波幅小,且比压力面尾缘处测温误差降低35.5%;在压力面及吸力面前缘处,最佳测温区域为涂层中部至下端之间的部位,而在压力面尾缘处,最佳测温区域尽量选择靠近涂层上端部位。      

前缘气膜孔布局对涡轮转子叶片流动传热的影响

为了研究不同前缘气膜孔布局对叶片内部冷却系统、温度场分布的影响,针对某典型冲击-对流-气膜复合冷却高压涡轮转子叶片,保持叶片主体冷却结构不变,通过改变叶片前缘各列气膜孔的数量形成5种结构方案,完成了1维流动换热及3维有限元温度场计算。并模拟发动机工况,试验研究了叶片内腔流量特性、叶片中下部2个截面的平均冷却效果随压比、流量比的变化规律。计算及试验结果均表明:涡轮转子叶片前缘气膜孔数量及布局对叶片前腔冷气量、前缘温度分布影响明显,而对后腔冷气量、尾缘温度影响较小。     

各向异性复合材料平板气膜冷却特性实验和数值研究

针对不同编织方式形成的复合材料平板气膜冷却开展了实验研究，利用红外热像仪测量了热侧壁面的温度场分布，分析了平板导热系数、吹风比、主流温度等参数对综合冷却效率的影响。在实验验证的基础上，进一步对单向增韧特点的复合材料进行数值模拟,分析了X、Y、Z三个方向导热系数对单孔气膜冷却壁面温度场分布和综合冷却效率的影响。结果表明:随着吹风比的升高，气膜综合冷却效率升高；随着主流温度的升高，气膜冷却效率降低；25D编织复合材料冷却效率最高，3D编织复合材料冷却效率最低。各向异性复合材料内部的温度梯度、传热量都与材料的导热系数特征有关，X方向和Z方向的导热系数增大，沿程综合冷却效率升高；而Y方向导热系数的增大对气膜冷却效率几乎没有影响。      

热冲击后气膜冷却叶片结构强度流固热耦合仿真

研究了冷气流量对气孔周围热应力的影响,为气膜冷却叶片可靠性设计提供参考。改变气孔的孔径,并建立有限元模型,结合有限元/边界元理论,通过流固热三场耦合技术获得热冲击后的叶片最大温度、温度不均衡程度及最大热应力。研究表明:增加冷气量有利于改善叶片冷却效率降低叶片温度,但也会使叶片温度不均衡程度增加,加剧尾缘气孔内的热应力载荷;增加前缘气孔直径可提升66%的平均冷却效率,有利于减缓气孔内的热应力,增加尾缘气孔的直径对冷却效率及热应力的影响均较小。此外,数值计算结果与试验及解析解较为吻合,对于气膜冷却叶片结构设计具有参考价值。      

具有热障涂层的导向叶片耦合数值研究

利用气固耦合换热方法，对具有热障涂层（TBC）的、高度一体化的一级透平导向叶片的流动和换热特性进行了数值研究。结果表明:在接近真实透平高温高压运行的环境下，TBC对于叶栅通道的气动特性影响可以忽略不计；在冷气流量被减少的情况下，TBC在叶片前缘依然可以明显降低叶片金属表面温度和传热系数；但是，随着冷气流量的减少，TBC的作用在压力面尾缘急剧下降，在吸力面尾缘缓慢下降。对3个高度截面的平均金属温度定量比较得出:在同等冷却效率的条件下，厚度为0.15mm的TBC可以节约20%~30%的冷气流量。      

Investigation of the steam-cooled blade in a steam turbine cascade

With the increasing demand for electricity,an efficiency improvement and thereby reduced CO2 emissions of the coal-fired plants are expected in order to reach the goals set in the Kyoto protocol.It can be achieved by a rise of the process parameters.Currently,live steam pressures and temperatures up to 300 bars and 923 K are planned as the next step.Closed circuit steam cooling of blades and vanes in modern steam turbines is a promising technology in order to establish elevated live steam temperatures in future steam turbine cycles.In this paper,a steam-cooled test vane in a cascade with external hot steam flow is analyzed numerically with the in-house code CHTflow.A parametric analysis aiming to improve the cooling effectiveness is carried out by varying the cooling mass flow ratio.The results from two investigated cases show that the steam cooling technique has a good application potential in the steam turbine.The internal part of the vane is cooled homogeneously in both cases.With the increased cooling mass flow rate,there is a significant improvement of cooling efficiency at the leading edge.The results show that the increased cooling mass flow ratio can enhance the cooling effectiveness at the leading edge.With respect to trailing edge,there is no observable improvement of cooling effectiveness with the increased cooling mass flow.This implies that due to the limited dimension at the trailing edge,the thermal stress cannot be decreased by increasing the cooling mass flow rate.Therefore,impingement-cooling configuration at the trailing edge might be a solution to overcome the critical thermal stress there.It is also observed that the performance of the cooling effective differs on pressure side and suction side.It implicates that the equilibrium of the cooling effectiveness on two sides are influenced by a coupled relationship between cooling mass flow ratio and hole geometry.In future work,optimizing the hole geometry and cooling steam supply conditions might be the solutions for an equivalent cooling effectiveness along whole profile.      

典型尖楔结构燃气流热试验工况确定方法

在传统冷壁热流模拟方法的基础上,进一步提出以热壁温度及热流密度的时序变化曲线为控制目标的燃气流热试验工况确定方法,即利用壁温控制目标与实测值的偏差对热壁热流控制目标做一定修正,以尽可能消除和弥补前期试验误差,同时利用300K冷壁边界热流密度数据库插值迭代方法,快速确定一定气动热模拟所需燃气流温度,解决了沿飞行轨迹瞬态热试验技术难题之一。利用CFD数值模拟方法,建立了典型尖楔结构高/中温双路燃气流组合热试验300K冷壁边界热流密度数据库,并针对典型尖楔结构沿某飞行轨迹9个典型状态气动热模拟需求,确定相应双路燃气流热模拟参数。相关数值计算结果显示,驻点区域热流密度平均模拟偏差为4.5%,平板区热流密度平均模拟偏差为4.6%,两者最大模拟偏差均不大于8%,满足工程试验精度要求。同时,瞬态热分析结果显示第45s时,距驻点1mm处最大温度梯度达到21K/mm,距驻点10.1mm处最大温度梯度达到18K/mm,满足气动热大温度梯度效应需求。      

后缘切角对波瓣混合器性能影响

建立了某实用的后缘切角波瓣混合器流场数值计算模型,通过三维数值模拟研究,得到了波瓣后缘切角的角度值对于波瓣混合器流场热混合效率和总压恢复系数的影响规律.结果表明:后缘切角在2.5°至15°之间变化时,热混合效率随切角角度的增大而增大,总压恢复系数随切角角度的增大而减小;后缘切角在15°至60°之间变化时,热混合效率随切角角度的增大而减小,总压恢复系数随切角角度的增大而增大.      

飞行器尖化前缘的热结构特性

在分析尖化前缘热环境特性的基础上,给出了尖化前缘相应的热结构特性的计算和分析,分析结果表明：尖化前缘热流密度在2～3个自由程内下降到原来的1/3,而表面温度仅有10%的下降;高热导率的防热材料可降低前缘的最高表面温度,对非烧蚀热防护十分有利,它还可提高后部的表面温度,增加辐射散热的力度,这是非烧蚀热防护的重要机制.     

热风洞中涡轮叶片温度场红外热像测量方法

提出了在热风洞中利用红外热像来测量涡轮叶片表面温度场的方法.针对热风洞特有的干扰因素,即石英玻璃窗口的透射比随着叶片表面温度变化以及燃气中的二氧化碳和水蒸气等组分参与热辐射所带来的干扰,在取得红外热像后按照燃气工况对温度场测量结果进行综合修正.考虑到叶片表面曲率的变化,通过几何上的变换重现了实际叶片表面上的温度场.结果表明:在热风洞的叶片温度场的红外热像测量中存在着110~140K的修正量.高温燃气环境中的红外热像测量结果必须按工况进行修正.      

金属骨架陶瓷基复合材料涡轮导叶研究进展

金属骨架陶瓷基复合材料涡轮导叶(金属骨架陶瓷导叶)耐高温、耐腐蚀、密度小,且韧性好,解决了高温合金难以承受越来越高的涡轮前温度的难题。介绍了金属骨架陶瓷导叶的国内外研究背景,分析了该导叶工程应用的关键技术:认为通过改变陶瓷叶型与金属骨架沿周向的接触方式(柔性接触和点/线接触)可缓解二者的周向热变形协调,尽量减少陶瓷叶型与金属支撑板的刚性接触有益于径向热变形协调;金属与陶瓷基复合材料之间的连接必须解决化学相容性与物理匹配性的问题;探讨了该导叶的力学性能计算及试验验证方法。最后指出了金属骨架陶瓷导叶未来的研究方向。