横肋变截面回转通道不同肋高的流阻特性

以某型航空发动机的实际涡轮叶片内部的带肋变截面180°回转通道为研究对象,采用实验方法研究了4种不同肋高的流阻规律,并做了比较。实验模型中,矩形肋对称布置在上下两个面,肋间距为15mm,肋宽为2mm,肋与流体流向夹角为90°。定义了沿程有效压力系数,并得到了其沿程分布。实验表明,对于带90°直肋不同肋高的矩形回转通道沿程有效压力的分布趋势基本一致,由于流道截面积的不规则变化,导致有效压力有沿程逆增现象。试验还发现高径比越大的其阻力系数越大,即沿程的阻力越大。      

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。     

带肋回转变截面通道内换热特性的实验研究

用实验方法研究了某航空发动机涡轮叶片内部带肋变截面180°回转通道壁面的换热特性,分析了上下面带60°平行斜肋和带60°交叉肋两种分布形式对换热的影响。实验结果表明:通道的努赛尔数随着雷诺数的增加而增大。在低雷诺数下两者的通道平均换热效果是相近的;在高雷诺数下交叉肋通道平均换热效果好于平行斜肋通道。变截面通道的壁面温度分布没有严格的以肋间距为周期的变化规律;交叉肋通道壁面温度沿流体流向的梯度要比平行肋通道的小。     

带直肋及气膜出流的回转通道内冷气流动特性

将航空发动机高压涡轮叶片内冷通道进行简化,以实验方法研究了带90°直肋及气膜出流的变截面回转通道内冷气的流动特性。根据肋和气膜孔的结构特点,将通道划分为若干个特征单元。结果表明:与无气膜出流时相比,通道出口段存在气膜出流时其有效压力分布发生了较大的变化,使得整个出口通道的有效压力下降,在气膜孔附近压力下降更为明显。在其他条件不变时,与单元内其他位置的气膜孔相比肋后气膜孔出流量较大。      

带肋变截面回转通道内换热特性的实验研究

与等截面回转通道相比较,变截面通道更接近叶片内冷通道原型。本文采用实验的方法研究带90°直肋的变截面180°回转通道壁面的换热特性,以单个直肋为基本特征将通道分成若干单元,在满足通道面积连续的条件下,考察了各特征无因次几何参数和气流雷诺数对带肋面换热的影响。在实验验证的进口雷诺数的范围内,与Dittus-Boelter公式比较,实验模型带肋面的平均努赛尔特数Nu_av提高了74%～128%不等,并且在较小的Re_in时,Nu_av提高的幅度更大。      

肋角度和出流孔位置对流动特性的影响

针对带肋和双排出流孔通道,研究了肋角度和出流孔位置对流量系数分布和总压系数分布的影响.研究的肋角度为60°,90°和120°.出流孔分别位于相邻两肋之间距前肋1/4肋距、两肋中间、距后肋1/4肋距.研究表明:不同的肋角度和出流孔位置不改变流量系数和总压系数沿流向的分布规律;流量系数随肋角度增大而增大;60°和120°肋通道中总压系数绝对值接近且小于90°肋通道中的绝对值;两肋之间,出流孔位置靠近下游,将使流量系数增大,总压系数绝对值增大.      

直冷却通道斜置肋片传热特性的数值研究

将燃气轮机涡轮叶片内部冷却的直管部分简化为方形截面带肋直冷却通道,并对简化直通道内部肋片在不同斜置角度下的换热特性和流动损失进行优化。针对直通道,进行了湍流模型对比及选取。将肋片的斜置角度30°~60°以5°为等差分为五种工况,然后利用CFX软件和自行编写的MATLAB程序对其进行模拟计算、数据处理、寻优和验证分析。结果表明:k-ε湍流模型与实验数值吻合较好,48.62°的斜置肋片能更好地提高带肋直冷却通道整体换热效果,30.34°的斜置肋片的综合换热性能最好。     

高旋转数下45°斜肋回转通道平均换热特性研究

为了更加深入地研究涡轮叶片回转通道的换热特性,研究了高旋转数下带45°斜肋回转通道的平均换热特性。在通道进口雷诺数从10000~70000,旋转数从0~2.07的范围内,实验研究了旋转状态下,方形截面带45°斜肋U型通道径向出流与径向入流两个流程四个侧面在0°,22.5°和45°三个安装角下的平均换热系数。研究结果表明:45°斜肋增强了通道换热,减弱了旋转对换热的影响;由于浮升力作用在肋间二次流上,导致通道内外侧出现临界回流现象;转角减弱了第一通道旋转对换热的影响,增强了第二通道旋转对换热的影响,其影响在低旋转数下并不显著,在高旋转数下开始变得明显。     

带交叉肋变截面回转通道内换热的实验研究

以航空发动机涡轮叶片内部回转通道为设计原型,实验研究了三种不同入口宽高比的带60°交叉肋变截面180°回转通道壁面的换热特性。分析了几何无因次参数和气流雷诺数对通道带肋表面换热的影响。结果表明:通道壁面的换热效果是随着进口雷诺数的增大而增加的,其分布趋势基本一致;对于不同宽高比的通道,低雷诺数时通道平均换热效果是基本相同的,在高雷诺数时宽高比小的通道要好于宽高比大的通道,而换热系数在整体通道上的分布情况基本相同。      

带肋的内流通道中气膜孔流量系数的研究

在根据相似理论放大的模型上,测量了带60°肋壁的内流通道中沿主流流向分布的各气膜孔的流量系数(Cd)。实验在内流通道进口雷诺数为20000～80000、通道总出流比为0.30～0.60的范围内进行,重点分析了带60°肋壁和不带肋的内流通道中来流雷诺数和总出流比对Cd的影响规律,分析了肋对气膜孔流量系数的影响,并且进行了相应的数值模拟研究。为涡轮叶片的冷却结构设计提供了依据。     

孔排布局对叶片前缘气膜冷却的影响

采用放大的半圆柱状表面模拟涡轮叶片前缘的形状,对叶片前缘单排及两排圆柱形孔的气膜冷却效率进行了测量。试件表面交错地开有 6排孔,以驻点为起点,位置分别在± 1 5°,± 4 0°及± 60°处,各排孔的孔间距均为 3个孔径,孔轴线与表面在展向及流向的夹角分别为 30°及 90°,孔长与孔径比为 4。主要对比研究了 3种单排气膜孔不同孔排位、3种两排气膜孔不同孔排位及 1种三排气膜孔的布局对孔排下游冷却效率的影响。结果表明 :在同样二次流流量条件下,冷却效果好的单排孔位置依次为 60°,4 0°,1 5°,冷却效果最好的两排孔位置组合为 ( 40°,60°)。结果还表明 :在较大的二次流流量条件下,采用单排孔、两排孔或三排孔冷却方案对孔排下游的冷却效果影响不大;但在较小的二次流流量条件下,从冷却效果看,较好的孔排冷却方案依次为 :三排孔、两排孔及单排孔。实验参数范围是 :主流雷诺数 Re=4 2 0 0 0～ 1 2 70 0 0,平均吹风比 M =0.5～ 2.0     

肋条结构对气膜冷却凹槽叶尖流动换热的影响

为有效抑制涡轮转子叶尖泄漏并改善叶尖热负荷,采用数值模拟的方法,对5种叶尖肋条结构的高压涡轮带气膜冷却突肩叶片流场进行计算,评估了不同叶尖肋条结构的气热性能。结果表明：在叶尖增加肋条结构能够有效调控叶尖空腔涡、刮擦涡、肋后涡和冷气肾形涡的路径,从而起到减小叶尖高表面传热系数区,提高叶尖平均气膜冷却效率的作用,同时有效降低了叶片压力侧前缘进入的泄漏流量,使得总压损失系数下降。凹槽尾缘压力侧半肋条结构具有最佳的气热性能,对泄漏流的阻碍作用最好,与无肋条情况相比,其叶尖平均表面传热系数降低了20.1%;平均气膜冷却效率提升了24.3%。     

狭缝斜肋内冷通道流动和换热特性的数值研究

为了探究狭缝斜肋的流动和换热特性,进一步挖掘传统斜肋的性能,采用数值模拟的方法,研究了五种不同位置和倾斜角度的狭缝对45°斜肋流动和换热特性的影响,计算的进口雷诺数为2×104～8×104,并与传统的实心肋进行了对比分析。结果表明,狭缝的存在显著改变了冷却通道的流动结构以及换热分布,降低了冷却通道的阻力损失,减小了通道整体的强化换热系数,但同时增加了肋片表面的强化换热系数,且狭缝的位置和倾斜角度的不同对通道性能也存在一定的影响。对比综合热效率,狭缝斜肋相比实心肋增加了约12%～15%。     

新型翅片式减涡器减阻特性数值研究

为了降低压气机径向引气过程中的压力损失,在设计出新型翅片单元结构的基础上,研究了新型翅片单元结构对径向引气压力损失的影响规律,对不同转速、新型翅片结构的去旋系统开展了数值研究,得到了不同工况下压气机共转盘腔径向引气的流场结构及压力损失分布曲线。研究结构表明:新型翅片单元结构能够抑制盘腔内气流旋流比,降低引气压力损失;翅片单元通道宽度和高度均存在最佳值使得减涡器减阻效果较好,在优选结构翅片单元通道宽度L=0.78,通道高度R3=0.97的条件下,其减阻效果较简单盘腔模型提高86.5%。高低翅片结构能起到较好的减阻效果,随着单侧翅片高度的升高减阻效果逐渐增强,在本文结构下增加单侧翅片高度L1=0.3时减阻效果最优,且A侧或B侧翅片增加带来的减阻效益相同。一方面,最优高低翅片结构其减阻性能相比于简单盘腔模型、典型翅片式减涡器模型以及翅片单元通道宽度L=0.78,通道高度R3=0.97的结构模型分别提高87.5%,29%,7.8%;另一方面,最优高低翅片结构能够减轻翅片单元的质量,具有较高的工程应用价值。     

椭圆形扰流柱冷却通道流动与换热数值研究

采用数值计算方法对涡轮叶片椭圆形扰流柱排冷却通道的流动和换热进行了研究,得到了排列间距、迎角、椭圆长短轴之比等因素对冷却通道流动和换热性能的影响.在相同截面积和排列方式条件下,椭圆形扰流柱迎角为0°时,分析结果表明,椭圆形扰流柱冷却通道压力损失系数约为圆形扰流柱通道的51.7%,平均努塞尔数约为圆形扰流柱通道的83.75%;长短轴比为5/1.8时,压力损失系数仅为圆形扰流柱通道的(长短轴比等于3/3)28.1%～35.5%,平均努塞尔数为圆形扰流柱通道的71.1%～75.06%.      

考虑冷气的多级涡轮翘曲S1流面的气动优化

为了缩短涡轮气动设计的周期,进一步发掘涡轮叶型的改进潜力,搭建了多级涡轮的翘曲S1流面气动优化平台.该平台具有速度快,周期短的特点.在考虑冷气的前提下,对多级叶片进行多层并行优化,避免了单列优化后叶列间匹配差的缺点,同时克服了多层S1流面的气动效率此消彼长的缺陷.对某型两级高压涡轮进行了气动优化设计,优化后10%,50%,90%叶高的S1流面的考虑冷气的气动效率分别提高了0.569%,0.490%,0.405%;第1级和第2级考虑冷气的气动效率分别提高了0.18%,0.05%;涡轮整体气动效率提高了0.15%;优化效果明显.经过分析可知,优化有效减小第1级导叶的通道横向二次流损失和第1级动叶的激波损失,第2级的原始叶型设计较为合理.下端壁喷射冷气是降低S1流面优化有效性的重要原因.