多孔多层板发散冷却特性(一)直通道

多孔多层板发散冷却技术是解决现代高性能燃气轮机冷却问题的有效途径。针对Lamilloy类型的 3层多孔层板结构 ,以层板单元为对象 ,进行了直通道内多孔多层板流动换热特性的数值模拟研究。结果表明 ,层板单元内流动换热关于对角面对称 ,各层板间隙内流动结构基本相同。流体在层板间隙内经历了小孔高速射流冲击板面及绕过支撑凸台向下一层板小孔汇流的过程。层板内换热非常强烈 ,换热最强的部位在冲击射流滞止区。     

多斜孔层板发散冷却流动传热特性

针对不同孔排数的 3种孔板结构 ,进行了多斜孔全气膜发散冷却流动换热特性的数值模拟研究 ,通过考察气膜层流场与层板冷效 ,分析了多斜孔层板内复杂的流动换热效果。结果表明 ,小孔射流在层板表面形成稳定的气膜 ,A型孔板孔板温度较为均匀 ,冷却效果最佳     

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     

旋转受限层板中隔板对层板流动换热的影响

采用数值模拟的方法,研究了旋转受限层板结构中隔板对层板中冷却气体流动换热的影响机理.结果表明:隔板结构能够有效地提高层板的换热能力,旋转受限层板比不受限横流冲击层板的Nu高18%,比不受限横流冲击出流层板的Nu高15%.隔板导热条件下比绝热条件下的层板的Nu提高10%~15%.在旋转受限层板中,冲击孔靠近旋转中心一侧换热能力随着旋转数的增加而降低,冲击孔远离旋转中心一侧换热能力随着旋转数的增加而增加.旋转的加入,可以有效地降低靶面上由于隔板的加入而导致的高温区的温度,旋转受限层板更适用于涡轮动叶.     

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。      

内冷通道横流条件下气膜冷却特性

为了研究内冷通道横流条件下气膜冷却的流动和换热特性,采用窄带瞬态液晶测量技术获得了内冷通道横流条件下吹风比分别为0.5,1,2时气膜孔下游冷却效率和表面传热系数云图,并通过数值模拟得到了气膜孔内及下游区域流场的详细信息.结果表明:内冷通道横流对气膜孔下游冷却效率和表面传热系数分布有重要的影响.横流增强了气膜孔射流的展向分布能力,增强了高吹风比时气膜冷却效果.另外,气膜孔下游涡的分布出现明显的不对称性,涡的结构更加复杂.      

稀疏气膜冷气侧局部换热特性实验

涡轮叶片弦中区的冷却为冲击带初始横流和气膜孔溢流的复杂流动换热,通过实验的方法,研究了涡轮叶片弦中区沿流向局部换热特性和靶板平均换热特性随冲击雷诺数、横流射流密流比、气膜出流与横流密流比以及冲击腔高度与冲击孔直径之比的变化规律,并通过气膜出流与横流密流比对局部换热效果、区域平均换热效果以及靶板整体平均换热效果的影响规律揭示气膜的介人对冷气侧换热带来的影响.     

发散冷却与冲击/发散冷却的冷却效率对比

为了得到最佳的冷却结构,在相同冷却气量下对发散孔单层壁与冲击/发散孔双层壁冷却结构的冷却效率进行了试验研究.试验保证相同的发散孔排布规律、热侧与冷侧进气温度、冷却气量、热气量以及热冷侧之间的空气压降,使用红外热像仪对发散孔壁的热侧壁面温度进行测量以得到冷却效率,并对两种结构的冷却效率进行对比分析.试验结果表明:在相同冷却开孔面积、相同冷热气条件下,冲击/发散孔双层壁的冷却效率要比发散孔单层壁大约高30%,这归因于冲击/发散冷却方式存在更高的换热强化能力.      

离心力场下多孔层的不同厚度对热驱动换热的影响

以涡轮叶片新型超级冷却技术的研究为背景,在具有冷却通道的新型冷却结构中加入多孔介质,采用实验与数值模拟相结合的方法研究了不同多孔层厚度条件下,新型冷却结构的热驱动换热规律,实验和计算结果基本一致.研究结果表明不同多孔层厚度条件下,该新型冷却结构具有相同的换热规律:随着旋转速度、热流密度和冷气进口速度的增大,该结构的热驱动换热能力逐渐增强.同时实验研究发现,随着多孔层厚度的增大,热驱动换热效果降低.      

多孔板换热的数值模拟研究

通过分析层板燃气侧、内部及冷气侧的换热特性，表明层板内流动特别复杂，换热也具有多样性。冷气侧换热面由于冲击孔出流的抽吸作用导致冲击孔上游换热加强，冲击孔出流对下游换热边界层的破坏，使下游抉热同样加强，且比上游增加幅度大。通道底面主要是由于射流形成的漩涡对底面冲击而使抉热增强，但影响区域不大。冲击面由于射流的冲击使滞止区换热系数很大，影响的区域也较广。燃气侧换热面由于气膜孔射流对主流的影响使气膜孔下游的主流旋转形成强度很大的漩涡，冲击壁面而使气膜孔下游换热增强，并且两孔之间由于冷气的掺混换热系数较大。     

高致密多孔层板结构选型研究

针对6种高致密多孔层板结构,利用CFD软件进行流动与换热的数值模拟,分析了冲击孔、扰流柱以及气膜孔的排列方式对层板流动特性和冷却效率的影响。计算结果表明:6种不同的排列方式,总压力损失均为4.5%左右,其中气流流经冲击壁与气膜壁的压力损失为2.2%左右;不同结构的双层板当量流量系数在0.86左右;层板的排列方式对综合冷却效果影响较大,在其他结构参数不变的情况下,不同的排列方式之间的综合冷却效率最大差值达到10%,在流体流动方向上,各排列的气膜壁面的温度梯度由最初的21K/mm减小到15K/mm;综合考虑各项因素的影响,气膜孔呈梭形排布最优的排列方式,其综合冷却效率最好。     

多孔层板冷却有效性的研究

在大尺寸低速回流风洞中对应用于涡轮叶片的2种绕流结构4块单双层多孔层板进行了流阻特性和冷却有效性的实验研究,结果表明多孔层板有很高的冷却有效性,流阻的大小和冷却有效性的高低主要取决于多孔层板的开孔率,开孔率越大,流阻越小,冷却有效性越高。本文所设计的层板结构参数和试验结果对层板在航空发动机涡轮叶片中的应用有参考价值。      

叶尖间隙控制系统悬浮管换热单元数值研究

为了改善机匣内横流影响,提高冷气的热沉利用效果,设计了一种叶尖间隙控制系统新型悬浮管式冷却结构,并抽象出典型换热单元开展数值模拟研究。重点关注了悬浮管上冷却孔冲击雷诺数、冲击孔间距、冷却空气出流方式等对该冷却结构流动换热特性的影响。研究中发现:悬浮管相邻冲击射流之间会相互影响并形成"喷泉流"现象;随着悬浮管冷却孔冲击雷诺数减小、冲击孔间距增大,冲击靶面换热效果降低,"喷泉流"现象不再明显。同时由于悬浮管本体及盖板的空间限制作用,冲击腔中会形成沿周向、轴向的横流。研究结果表明,当机匣侧方位冷气出流时,机匣表面沿轴向的横流最为明显。相较于机匣侧面出流,盖板垂直出流以及盖板垂直/机匣侧面同时出流时,两高肋之间区域的换热得到明显加强。其中垂直出流时增幅最大,可达20%。     

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.     

叶片弦中区内部气膜孔局部换热特性实验

对叶片弦中区内部有、无冲击射流的气膜出流冷却方式中,冷气侧气膜孔局部换热特性进行了实验研究。无冲击射流时,主要研究了来流雷诺数、气膜出流与横流密流比的变化对气膜孔局部换热特性的影响;研究发现,气膜孔局部的换热均随两者的增加而强化,且孔后的换热要好于孔前的换热,越靠近孔的地方换热越强,并对倾角为30°和90°时气膜孔的“溢流效应”进行了比较。有冲击射流时,改变冲击雷诺数、横流射流密流比等流动参数,通过对数据整理得出了这些参数对其局部换热特性的影响规律。      

射流冲击对内冷通道侧壁面换热特性影响研究

建立了前缘梯形内冷通道的放大模型,结合斜射流冲击冷却进行试验测量,研究通道内壁面的换热特性,并结合流场测量结果进行换热分析,更好地理解此类受限通道内冲击冷却的强化换热机理,为更高效的内冷通道设计提供参考。使用热电偶对出流侧壁面温度进行了详细测量,研究射流角度、横流和射流雷诺数对其Nu的影响规律。结果表明:出流孔的抽吸作用会强化孔排上方和下方边缘附近壁面的换热;射流入射角度的增加使出流孔上方壁面的Nu峰值对横流强度变化的敏感度提高;横流会削弱侧壁面上Nu峰值,且对出流侧壁面的不同区域换热情况的影响位置不同;射流雷诺数的增加将大幅提高整个出流侧壁面的换热能力,但对其换热特性规律不会产生影响。     

横流马赫数对溢流孔附近流动及换热的影响

为了研究冷气通道横流马赫数变化时溢流孔附近流动和换热情况,选取光滑冷却通道、90°溢流孔冷却通道和45°溢流孔冷却通道作为研究对象,保持入口雷诺数为8×104,在横流比分别为0.5和1的情况下,对横流马赫数为0.2和0.7时溢流孔附近流动及换热特性进行数值模拟。研究发现:在相同入口雷诺数和横流比条件下,横流马赫数由0.2增大为0.7时,溢流孔内的回流范围减小,孔内流动阻力变小,冷却通道壁面换热减弱。当横流比变化时,低横流比情况下横流马赫数对冷却通道壁面换热影响要更大。     

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。      

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。     

扰流柱布局形式对层板隔腔内流动与换热特性影响的数值模拟

正随着航空发动机推重比要求的不断提高,发动机热端部件热负荷急剧上升,尤其是燃烧室火焰筒需要有效的热防护。因此对先进冷却技术的研究需要不断进行,层板冷却是一种较为先进的冷却技术,国外的层板冷却技术已经进入实际应用阶段。Favaretto等人通过数值模拟和传热优化分析研究了层板结构不同的冲击孔、气膜孔、扰流柱直径和不同扰流柱高度的影响。Funazaki通过数值模拟及实验研究了放大层板冷却结构的内部对流换热系数。研究发现数值模型计算结果与实验值符合较好。另外,平均对流换热系数