多层多孔层板内流阻特性试验与计算方法研究

设计了 6种单层和 6种双层结构的多孔层板,并在小型吸气式风洞上对 1 2种放大模型的多孔层板结构进行了内流阻特性试验,研究了多孔层板的层数、扰流柱形状、绕流方式、开孔率等因素对内流阻特性的影响。本文还对多孔层板结构内流阻的计算方法进行了研究,并结合试验工况进行了计算。      

层板模型流阻特性的研究

设计了不同内部流动结构的单、双层多孔层板,并针对这些层板敢式风洞上进行了流阻实验,得出了绕流柱形式、开孔率、孔间距、绕流柱高度以及单、双等敏感因素对层板流阻特性的影响：方形扰流柱阻力最小,圆形次之,菱形阻力最大;开孔率越大,孔间距越小,流阻越小;扰流柱越高,流阻越小;双层扰流柱的层板阻力明显高于单层扰流柱。     

用瞬态测试技术研究多孔层板的换热特性

以多孔层板气膜冷却结构为研究对象 ,针对不同结构的多孔层板平板试验件的气膜冷却特性 ,采用瞬态测试技术进行了试验研究。试验结果表明 ,此种冷却结构的冷却效果在一定范围内取决于开孔率。多孔层板内部对流换热比主流与试验板之间的对流换热要强烈得多     

层板结构冷却有效性的研究

基于一维多孔材料内传热理论,建立层板冷却的理论模型,应用由实验获得的各种层板结构的流阻和换热特性,由层板两侧的压差估算通过层板的冷气流量和层板结构的冷却有效性。对影响层板冷却有效性的因素进行分析,为层板的设计起到指导作用。在相同吹风比下,双层层板要比单层层板冷却有效性高,而三层层板与双层层板之间的差别不大。通过与传统气膜冷却方式的比较,可以发现,层板冷却具有以较少的空气达到较高的冷却效果的巨大潜力。      

多孔多层板发散冷却特性(二)横流作用

针对Lamilloy类型的3层多孔层板结构,对有横流存在的多孔多层板的流动换热特性进行了数值模拟,考察了层板结构内的流动和壁面换热特性及层板热侧横流中的复杂流动换热现象,分析了多孔多层板发散冷却特性和流动换热机理.结果表明,多孔多层板发散冷却高效且均匀,层板结构内部的流动换热特性受横流影响很小,层板内强烈的冲击和对流换热是层板高效冷却的关键因素,如增大层板热侧开孔孔径或采用斜孔,可以进一步改善发散冷却效果.     

层板冷却特性的实验与数值模拟研究

在大尺寸低速回流式风洞内对一种应用于涡轮叶片的典型的层板结构进行了流阻特性和冷却特性的实验研究,获取了该层板综合冷却效果与层板两侧压比的关系,结果表明层板具有很高的冷却效果。运用商用软件Fluent6 0对其进行了流固耦合传热计算,分析了层板内部复杂的流动和换热情况,得到了在不同的进出口条件下该层板的综合冷却效果。计算结果和实验值进行了比较,两者符合较好,表明通过数值计算获取层板冷却效果的方法是可行的。     

典型层板冷却结构热疲劳破坏特性研究

针对三种不同形式的典型层板冷却结构,设计加工了高温合金材料试验件.模拟涡轮冷却叶片在实际发动机中的高温工作环境,通过冷热循环加载方式试验研究每种层板冷却结构的热疲劳寿命,分析其破坏部位及破坏原因,并与数值计算结果进行了对比.结果表明:层板冷却结构热疲劳裂纹出现在排气板气膜孔附近,并沿气膜孔纵向扩展,内表面扩展程度大于外表面.在三种层板冷却结构中,211型层板冷却结构热疲劳寿命最低,161型和141型层板冷却结构热疲劳寿命相当.     

扰流柱排列形式对层板流阻的影响研究

对进气孔、扰流柱和出气孔个数之比为1∶4∶1和1∶6∶1的2种典型层板冷却结构的流体流阻特性进行了数值分析与试验研究。分析结果表明,在雷诺数相同的情况下,161型层板的流阻较141型层板的小;将计算结果与试验结果进行了比较,二者符合良好。     

冲击孔对层板冷却叶片前缘传热影响的数值研究

根据典型涡轮导向叶片型面和边界条件,对简化的层板冷却叶片前缘的流动和传热特性进行数值研究.考察了两种冲击孔与气膜孔和扰流柱的孔阵排布方式、两种冲击孔轴线与靶面的夹角设置方式对叶片前缘换热的影响,计算中采用re-normalization group(RNG)k-ε湍流模型.结果表明:在气膜孔、扰流柱排布一定的条件下,不同冲击孔的模型的冷却流量相差不到1%.冲击孔数目越多和孔径越小的模型的靶面表面传热系数越高;叶片前缘表面的冷却效率越高,提高约2%.在同一种冲击孔孔阵排布方式下,冲击孔轴线和靶面的夹角对流阻和叶片前缘的换热影响不大.      

层板冷却结构强化换热机理

应用简化的换热模型分析了影响层板冷却效果的因素,得出了燃气侧气膜冷却效率η_f,层板内部换热效率η_i和参数f是影响冷效的决定因素。为了研究层板强化换热机理,提高其内部换热效率η_i以优化层板传热设计,本文在相同的两侧换热条件和冷气密流下,对5种相同孔径、通道高度和开孔率,不同内部绕流形式的层板结构和1种双层壁结构进行了流固耦合传热计算,得到了其综合冷却效率。结果表明层板结构的综合冷却效率明显高于双层壁;冷气沿程吸热焓增带走了大部分从燃气侧进入层板的热,并且冷气与层板内表面的换热主要发生在出气板上,扰流柱的存在增加了换热面积,一定程度上增强了换热;合理设计绕流结构有利于改善层板的热均匀性。      

气膜出流条件下回转通道流动特性的实验研究

采用实验方法研究气膜出流条件下带肋回转通道流动特性,其中回转通道为带90°直肋变截面通道。根据研究问题的特点,利用单元分析方法,定义了壁面有效压力及单元有效压力系数。结果表明:通道出口段存在气膜出流与无气膜出流情况相比出口段有效压力分布发生变化,并且使整个通道的流阻下降。影响流动的主要因素是通道的阻塞比、长径比、宽高比、气膜出流比和进口雷诺数。     

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。     

涡轮叶片内冷却通道的流阻与换热研究

用实验方法研究了冷却气流在放大1倍模型涡轮叶片内通道的压力、冷热态流阻及局部换热系数分布。得出了相应的经验公式。冷却空气径向进入前缘冷却通道, 到顶端折而向下在两隔板间流动, 大部分空气经隔板5个穿孔弦向流入带三排扰流柱的收缩通道, 并弦向排出叶片尾部。      

涡轮叶片表面气膜冷却的传热实验研究

对压力面和吸力面各有双排气膜孔冷却的涡轮导向叶片表面进行了详细的传热实验研究,在不同吹风比下获得了当地气膜冷却效率和换热系数,结合流场测量结果分析了叶片表面冷却和换热规律。结果表明不同孔排位置叶片表面气膜冷却效率和换热规律有很大不同,孔排位置一定时,冷却效果主要由吹风比决定。结果还表明尽管冷气喷射使型面换热系数随吹风比的增大而显著增大,气膜冷却还是能有效的降低型面的热负荷,其中以中吹风比喷射时冷却效果最为显著。     

旋转状态下涡轮叶片复合冷却结构

采用三维流固耦合换热计算研究了旋转状态下涡轮叶片冷却结构的复合冷却性能,讨论了辐射换热和转速对综合冷却效果的影响.结果表明:结构1叶根处出现局部高温区,低冷却效率范围大,叶片整体温度分布不均匀,结构2通过更合理的气膜流量分配提高了前缘附近冷却效率,降低了叶片表面最高温度,结构3采用内部蛇形通道使吸力面冷却效率显著提高,叶片整体冷却效率分布较为均匀；考虑壁面辐射换热时叶片表面温度升高,当表面发射率为1时局部温升超过50K,壁面辐射换热的影响不能被忽略；压力面综合冷却效率随转速增大而升高,3种结构的局部冷却效率最高分别能提升15.6%，13.4%和16.4%,吸力面上除弦中区冷却效率随转速升高有所降低外,其余位置冷却效率变化不大.      

气膜孔孔形对涡轮冷却流场影响的数值研究

基于有限体积法对三维定常N-S方程进行离散,采用k-ε两方程湍流模型,数值研究了气膜孔几何形状对涡轮叶片气膜冷却效果的影响,得到了气膜孔附近的流场分布。所选孔形为圆柱孔和后倾扇形孔。结果表明后倾扇形孔减小射流动量比,减弱射流穿透主流的能力,并产生了一定的展向速度,可使射流冷气能够较好地贴附在壁面上起到保护作用。具有后倾扇形孔的涡轮叶栅沿叶高方向和流线方向体现出了比圆柱形冷却孔更好的冷却效果。     

复杂空冷叶片换热特性研究

为了深入了解空冷透平动叶的冷却机理和冷气流动特性,对某重型燃机透平动叶进行了气-热耦合数值模拟。结果表明,叶尖开孔可以促进冷气在蛇形通道中的流动,改善冷却效果;涡流矩阵通道中子通道的宽度与高度比减小会加大涡流矩阵通道中的流动阻力,从而改变冷却的效果,其宽高比与冷气进口条件存在一个最佳组合关系;涡流矩阵通道结构与叶尖之间的间隙会降低冷气的利用率。     

涡轮叶片前缘复合冷却实验

为研究涡轮叶片复合冷却传热特性,建立了涡轮叶片复合冷却实验测试平台,对叶片前缘区域进行了射流冲击+气膜冷却实验测试,详细研究了冷气吹风比M、前缘位置、主流雷诺数Re以及温度比T_g/T_c对冷却效率的影响规律。实验结果表明,冷却效率随吹风比的增大而增大,随T_g/T_c的增大而减小。本文实验条件下, 最佳吹风比约为1.0;越靠近前缘驻点,冷却效率越大;主流雷诺数对冷却效率的影响不大,但总体上仍表现出雷诺数越大,冷却效率越高。