带有前缘气膜冷却燃气轮机叶片的气热耦合研究(英文)

使用气热耦合数值计算方法对带有"淋浴喷头"式前缘气膜冷却的C3X燃气轮机叶片进行数值模拟。通过对使用不同湍流模型的计算结果与实验测量值进行对比,使用转捩模型能够比较准确的模拟带有气膜冷却射流的边界层内的流动和传热过程。气膜冷却射流在叶片吸力面上游层流边界层区域内表现出比较明显的三维湍流特性,但在吸力面下游边界层转捩为湍流以后,湍流使得气膜冷却射流与主流燃气掺混过程加速而使其三维流动特性迅速消失;在吸力面由于边界层流动始终为层流状态,冷却射流与主流掺混较缓慢而使其仍能保持较强的三维湍流特性。边界层内由高温燃气与被冷却叶片之间温度差形成的温度梯度有益于增强边界层流动的稳定性。     

叶片吸力面不同位置处气膜冷却特性对比

在跨声速叶栅通道内，试验研究了叶片吸力面不同位置处的气膜冷却特性，详细地分析吸力面两个位置处的簸箕孔型在主流进口雷诺数为3.7×105、出口马赫数为0.81，0.91，1.01及气膜吹风比为0.6～2.1条件下的气膜冷却效率.结果表明:气膜孔2位于大的叶片曲率位置处，该位置处主流能使得射流更好地贴附在壁面上，但是该影响有利有弊.在小吹风比下，气膜孔射流本身就能很好地贴附壁面，因而主流使得气膜贴壁较好的作用不强，而主流使得气膜展向扩展不易的负面影响却比较明显.在大吹风比下，气膜射流法向分量较大，气膜容易脱离壁面，此时，气膜孔2由于主流作用使得气膜更好地贴附在壁面上，气膜冷却效率有较大提升.      

涡轮叶片上收缩-扩张形孔排的全表面气膜冷却特性

为了摸清新型收缩-扩张形孔在涡轮叶片上的气膜冷却特性,采用一种可进行全表面测量的稳态液晶测量技术测量了收缩-扩张形孔排在涡轮叶片模型上的气膜冷却效率分布。研究了基于叶片弦长的主流雷诺数和二次流-主流流量比对冷却效率的影响,并与叶片上圆柱形孔排的气膜冷却效率分布进行了对比。结果表明:受叶栅通道涡作用,两种孔排的射流轨迹在吸力面呈聚敛状;在压力面则呈发散状;但通道涡对收缩-扩张形孔排射流的影响较弱。收缩-扩张形孔排在吸力面和压力面上的气膜覆盖范围和冷却效率都远大于圆柱形孔排,而且收缩-扩张形孔排的冷却效率随流量比的增大而增大;在压力面上,叶片型面结构使得收缩-扩张形孔排以及圆柱形孔排的气膜覆盖效果好于吸力面。在本文的实验雷诺数范围内,主流雷诺数对收缩-扩张形孔排的冷却效率分布特征以及冷却效率数值大小的影响都很小。     

气冷涡轮前缘冷气射流角度优化研究

为了研究复合角度的圆形气膜孔对涡轮叶片冷却效果和气动性能的影响,利用SST的k-ω模型对涡轮叶栅进行数值模拟,对前缘区域冷却孔进行复合角度优化设计,给出前缘滞止线附近和吸力面改型前后的冷却特性分析。结果表明圆形气膜孔的复合角度对冷却和气动的影响明显,在前缘压力面,侧向角分别为85°,60°和45°,冷气在前缘处改变滞止点的位置,切向速度增大,冷却效果显著增强。在前缘吸力面上,冷却孔的入射角从45°变为30°,侧向角由-15°改为0°和30°,冷气与主流掺混减弱,壁面冷却效率增大,同时影响近壁面的主流从而改变流场结构。     

冷气射流对航空发动机涡轮气动损失的影响

为了研究不同射流环境对航空发动机涡轮叶片气动损失的影响，采用数值模拟的研究方法，分别考虑压力面与吸力面2 种气膜冷却打孔方案，总结在不同吹风比条件下叶栅通道内部流场环境特点，以及不同流场环境下叶栅损失的变化规律。结果表 明：叶栅通道内部气膜冷却射流环境分为低动能比射流环境（动能比小于1）与高动能比射流环境（动能比大于1），这2种射流环境 的边界层、叶栅出口二次流损失、动能亏损情况以及叶栅出口的总压损失系数有不同的变化特点：在低动能比环境下，冷气射流会 贴附壁面流动，进而影响边界层；在高动能比环境下，冷气射流直接与主流掺混。吸力面的冷气射流对叶栅气动损失有较大影响， 当射流动能较大时，使叶栅总压损失变化50%以上；而压力面的冷气射流对叶栅气动损失影响很小，经过计算，压力面的冷气射流 仅使叶栅总压损失系数最大变化0.64%。     

动静干涉下高压涡轮外环非定常气膜冷却性能分析

为了探索航空发动机高压涡轮外环非定常气膜冷却性能的影响因素及其作用规律，对叶片高速旋转作用下某航空发动 机高压涡轮外环的非定常气膜冷却过程进行了3维数值模拟。应用滑移网格技术实现了涡轮叶片与涡轮外环壁面之间的相对运 动以及转子与静子之间干涉作用的模拟；分析了叶片的旋转作用、吹风比、气膜射流方向、气膜轴向射流角度等因素对高压涡轮外 环非定常气膜冷却性能的影响规律。结果表明：在高吹风比下应防止叶片前缘上游气膜孔冷却裕度不足现象的发生；逆向排布的 气膜孔更适合在高吹风比下使用；当气膜入射角由45°减小为30°时，外环面平均气膜冷却效率时均值增大18.54%，显著提高了涡 轮外环冷却的冷气利用效率。     

旋转状态下气膜冷却效率试验研究

以某型发动机高压涡轮转子叶片吸力面腮区气膜孔为研究对象,通过模拟发动机状态的模型试验,研究了旋转数、吹风比和主流雷诺数对气膜孔冷却效率的影响。结果表明,旋转会导致气膜覆盖区域向高半径方向偏转,且旋转数越大,偏转角度越大,气膜冷却效率越低;同时,旋转会弱化吹风比、主流雷诺数等对气膜冷气效率的影响。研究获得的旋转状态下涡轮转子叶片型面典型区域气膜冷却特性的试验数据,可为发动机转子叶片冷却设计提供参考。     

超声速涡轮叶栅超声速气膜冷却数值研究

为了研究超声速涡轮叶栅通道内的超声速气膜冷却,采用数值计算的方法,对主流压比2.33~4、冷气入射角度15°~45°条件下的涡轮叶栅超声速气膜流动和传热进行了研究。计算结果表明:超声速气膜射流与主流作用后产生的斜激波与尾缘激波交汇,形成两道反射激波,其中一道反射激波作用在气膜孔下游的叶片表面又形成了反射;在不同的主流压力下,超声速气膜射流在叶片法向和展向上展现出不同的发展特征,对转涡对(CVP)在展向上相互挤压,扼制了高温主流卷入叶片壁面;主流压比增加到4,气膜射流区在法向拉长,在展向相对较弱,导致主流在对转涡对(CVP)的作用下被卷入气膜射流的底层,壁面冷却效率降低;气膜入射角从15°增大到45°,冷却效率整体上呈先上升后下降趋势,在入射角30°时冷却效率相对最大,这与射流的穿透能力、冷却气流再覆壁面特征有关。     

亚声速涡轮导叶全气膜冷却特性实验研究

为了获得亚声速涡轮导叶的全气膜冷却特性,在短周期高速风洞中对全气膜覆盖涡轮导叶实验件进行了实验,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)、二次流质量流量比(MFR=5.5%～12.5%)和主流湍流度(Tu=1.3%,14.7%)下的气膜冷却效率分布。实验叶片前缘有5排复合角度圆柱形气膜孔形成前缘喷淋冷却结构,压力面和吸力面分别有6排和3排圆柱形气膜孔。结果表明:在本文研究的质量流量比范围内,涡轮叶片压力面和吸力面的气膜冷却效率随着质量流量比的增大而减小,而前缘区域的冷却效率随质量流量比的增大而增大;雷诺数的变化主要影响叶片压力面相对弧长S/Smax-0.6区域的冷却效率分布,在高雷诺数(Re=9.0×10~5)下,大质量流量比的冷却效率最高,而在中低雷诺数(Re=3.0×105,6.4×105)下,小质量流量比的冷却效率最高;叶片前缘气膜冷却效率受主流湍流度升高的影响较小,而在压力面和吸力面冷却效率均随着湍流度的升高而降低。     

密度比对涡轮叶片表面气膜冷却换热系数的影响

 采用放大的叶片模型，利用大尺寸低速线性叶栅风洞进行试验，测量了涡轮工作叶片表面不同位置处气膜孔下游叶片表面的换热系数，研究了不同吹风比、密度比和雷诺数的影响。风洞试验段由3个叶片组成，其中中间的叶片为试验叶片。试验叶片表面上开有6排气膜孔，其中吸力面1排，前缘区3排，压力面2排。试验结果表明：密度比对叶片表面气膜孔下游换热系数有影响，以往采用空气作为主流及二次流，在低温差下进行试验，所获得的叶片表面气膜孔下游的换热系数在用于涡轮叶片气膜冷却的实际设计时，必须进行修正。     

翘曲端壁对大折转角压气机叶栅流动的影响

研究了翘曲端壁对大折转角压气机叶栅流动的影响.结果表明:翘曲最高点位于压力面时效果较好,翘曲高度为2%叶高时出口总压损失下降约5.8%;而翘曲最高点位于压力面与吸力面之间时效果则不理想;翘曲高度为5%叶高、翘曲最高点距压力面为0.25倍节距时出口总压损失增加约3.4%,此时端壁附近压力梯度呈先顺后逆变化,低能流体由压力面端区迁移至10%叶高处与吸力面附近低能流体汇合,增加了流道内二次流强度;当来流攻角不为零时,下端壁翘曲所构造的反向压差对于减小二次流强度、降低出口总压损失的效果仍比较明显,+3°攻角下出口总压损失减小约5.6%,-3°攻角下出口总压损失减小约3.5%,但同时其导致的负荷沿径向重新分配也将使得上端壁附近流动状况也发生改变.      

前缘射流对涡轮导叶吸力面多排气膜孔冷却特性的影响

为了研究前缘射流对吸力面多排气膜孔下游冷却特性的影响,在跨声速风洞中进行了实验并采用热电偶获得了气膜冷却效率和换热系数。叶栅进口雷诺数的范围为2.0×105 ~ 4.0×105,出口等熵马赫数为0.95,叶栅前的湍流度小于5%。前缘布置6排对冲圆柱孔,质量流量比的范围为2.00% ~ 3.71%,吸力面布置4排圆柱孔,质量流量比的范围为2.02% ~ 3.74%。实验结果表明：在没有前缘射流时,吸力面的气膜冷却效率随质量流量比增大先升高后下降,存在前缘射流时,质量流量比对气膜冷却效率的影响较小。对所有的工况而言,质量流量比增大都提高了吸力面的换热系数。相比于没有前缘射流的工况,前缘射流显著提高了吸力面孔排附近区域的气膜冷却效率并略微降低了换热系数;在吸力面后半段,前缘射流显著提高了换热系数而对气膜冷却效率影响较小。总的来说,前缘射流改善了吸力面孔排附近区域的冷却效果,但是恶化了吸力面后半段区域的冷却效果。     

压气机“端弯”叶栅流场结构的试验研究

本文通过“端弯”和“无端弯”压气机叶栅的对比试验及流场显示,论述了“端弯”叶栅改善压气机端区流动和减小端区损失 (并降低沿叶高按质量平均求出的总压损失系数 )的机理。压气机“端弯”叶片的叶盆和叶背叶片力指向都有利于改善端区流动。前者将端壁区外叶盆的高能气体压向端区,后者将端区内叶背的低能气体送向叶中区。这是“端区”损失系数下降的主要原因之一。      

Isothermal study of effusion cooling flows using a large eddy simulation approach

An isothermal numerical study of effusion cooling flow is conducted using a large eddy simulation(LES) approach.Two main types of cooling are considered,namely tangential film cooling and oblique patch effusion cooling.To represent tangential film cooling,a simplified model of a plane turbulent wall jet along a flat plate in quiescent surrounding fluid is considered.In contrast to a classic turbulent boundary layer flow,the plane turbulent wall jet possesses an outer free shear flow region,an inner near wall region and an interaction region,characterised by substantial levels of turbulent shear stress transport.These shear stress characteristics hold significant implications for RANS modelling,implications that also apply to more complex tangential film cooling flows with non-zero free stream velocities.The LES technique used in the current study provides a satisfactory overall prediction of the plane turbulent wall jet flow,including the initial transition region,and the characteristic separation of the zero turbulent shear stress and zero shear strain locations.Oblique effusion patch cooling is modelled using a staggered array of 12 rows of effusion holes,drilled at 30° to the flat plate surface.The effusion holes connect two channels separated by the flat plate.Specifically,these comprise of a channel representing the combustion chamber flow and a cooling air supply channel.A difference in pressure between the two channels forces air from the cooling supply side,through the effusion holes,and into the combustion chamber side.Air from successive effusion rows coalesces to form an aerodynamic film between the combustion chamber main flow and the flat plate.In practical applications,this film is used to separate the hot combustion gases from the combustion chamber liner.The numerical model is shown to be capable of accurately predicting the injection,penetration,downstream decay,and coalescence of the effusion jets.In addition,the numerical model captures entrainment of the combustion chamber mainstream flow towards the wall by the presence of the effusion jets.Two contra-rotating vortices,with axes of rotation along the stream-wise direction,are predicted as a result of this entrainment.The presence and characteristics of these vortices are in good agreement with previous published research.      

基于端壁涡流发生器的压气机叶栅角区分离控制研究

为研究被动式涡流发生器抑制压气机叶栅横向二次流以控制角区分离的作用,设计了在叶栅内部端壁处加装涡流发生器的控制方案,采用数值模拟的方法,详细分析了叶栅流场特性。结果表明:涡流发生器可以有效地抑制叶栅内部横向二次流,改善角区流动,在最佳控制方案中,总压损失系数下降8.1%;放置于叶栅内部的涡流发生器能阻挡气流的横向流动,其尾部产生的流向涡与横向迁移的端壁附面层相互作用,抑制了通道涡向吸力面的发展,并将主流高能流体卷入角区,增加角区流体动量;涡流发生器的长度和高度都会影响流向涡的强度,流向涡的涡核高度与涡流发生器高度一致,最终的控制效果由涡流发生器的长度和高度共同决定,只有当它们被合理选择,控制方案才能获得最佳控制效果。     

高主流湍流度下密度比对涡轮导叶全气膜冷却特性的影响

为了研究高主流湍流度下二次流密度比对涡轮导叶全气膜冷却特性的影响,使用热色液晶测量了在主流湍流度为15%,二次流密度比为1.0和1.5下三维涡轮导叶的气膜冷却效率和换热系数。二次流与主流质量流量比为7.0%和12.5%。结果表明:二次流密度比增大可以降低冷气射流的动量,小流量比工况下,在叶片前缘和压力面前半段,动量较低的二次流在高主流湍流度的影响下更易耗散,增大二次流密度比使冷却效率明显降低;大流量比工况下,二次流动量降低使气膜孔后区域冷气贴附性增强,气膜冷却效率和冷气覆盖效果均得到提升。小流量比工况下,二次流密度比增大对叶片表面换热的影响较小;大流量比工况下,二次流密度比增大使吸力面中弦区域和压力面后半段的平均换热系数比分别降低15%和25%。     

Flow Field Investigation in a Trapezoidal Duct with Swirl Flow Induced by Impingement Jets

An enlarged model of trapezoidal duct near the leading-edge in the blade is built up. The effects of impingement jets, swirl flow, cross flow and effusion flow are considered. Experiments are performed to measure flow fields in this confined passage and exit holes on one of its side walls. Cross flow and effusion flow are induced in the channel by the outflow of side exit hole (SEH) and film cooling hole (FCH), which are oriented on one end wall and bottom wall of the passage. Detailed flow structures are measured for two impingement angles of 35° and 45° with 6 combinations of outflow ratios. Results show that the small jets impinge the target wall effectively while the large jets contribute to inducing and impelling a strong counter-clockwise vortex in the upper part of the passage. Cross flow plays a dominate role for the flow structures in the passage and exit holes. It deflects jets, enhances swirl and deteriorates side exit conditions. Impingement angle is another significant factor for the flow characteristics. Its effect reveals more evidently with cross flow. Within the present test conditions, the mass flow rates and outflow positions of FCHs have no distinct effect on the main flow structures.     

高湍流度时全气膜涡轮叶片表面冷却和换热特性的实验研究

为获得高主流湍流度时全气膜涡轮叶片表面的冷却和换热特性,在跨声速风洞中实验研究了质量流量比(MFR)和主流雷诺数(Re)对叶片表面气膜冷却效率和换热系数比的影响。在叶片前缘布置了5排圆形孔,在吸力面和压力面分别布置了3排和6排圆形孔,实验结果由嵌入在叶片中截面的热电偶测得。实验中基于弦长的主流雷诺数的范围为3.0×105～9.0×105,叶栅出口马赫数Ma为0.8, MFR的范围是5.5%～12.5%,主流湍流度Tu为14.7%。实验结果表明:主流雷诺数升高显著增强了叶片表面的换热,使层流边界层到湍流边界层的转捩位置提前。对于吸力面S/C0.2的区域(S/C为当地弧长与弦长之比),气膜冷却效率受MFR影响明显,当MFR大于7.7%时提高MFR会导致气膜冷却效率降低;该区域的换热系数比在中低雷诺数时受MFR影响较小,在高雷诺数时随MFR升高而升高。压力面S/C-0.7区域的气膜冷却效率随MFR升高而升高,-0.7S/C-0.4区域的气膜冷却效率受MFR影响较小,对于整个压力面而言,MFR升高提高了叶片表面的换热系数。相对于叶片其它区域,压力面后半段区域和吸力面的气膜冷却效率受雷诺数影响较大。