带90°肋和双排出流孔通道换热特性的实验

采用瞬态液晶测试技术测量了带90°肋和双排出流孔通道有出流壁面的换热分布,研究了出流孔与肋的相对位置、通道雷诺数和出流比对换热的影响.研究表明:肋间换热分布受肋前壁面气流分离,肋间气流再附着和出流的共同作用影响;出流孔位置的改变不会对气流再附着的位置产生明显影响;出流孔靠近上游肋时,回流区的换热得到改善,再附着区的换热被出流作用加强,换热特性变好;平均换热强化效果随雷诺数增大而减小,随出流比增大呈增大趋势,但增大幅度较小.      

带前缘冲击复杂叶片内冷通道换热特性实验

采用瞬态热色液晶方法对不同雷诺数下静止状态涡轮工作叶片带前缘冲击复杂蛇形通道的换热特性进行了考察,得到了不同位置吸、压力面的表面传热系数分布.实验结果表明:相同雷诺数下,叶片通道内表面带肋区域两肋间的局部换热强于光滑区域,相邻两肋间的传热系数沿流动方向呈单峰分布.随着雷诺数增加,内表面传热系数提高,在弯头下游的光滑区域离心作用加强,带来该处局部换热分布不均匀,而弯头下游肋的出现可以削弱这种效果.此外,通道的收缩扩张导致主流速度的变化也给局部换热的数值和分布带来了影响.      

带前缘涡轮动叶内冷通道流动换热数值模拟

在静止条件下,通过数值模拟的方法对接近真实的带前缘涡轮工作叶片腔模型内的流动与换热进行了分析.结果表明:腔内斜肋引发的三维涡对换热产生了巨大的影响,在一倍肋高范围内, Y-Z 和 X-Y 平面上都出现了肋后涡,使得此处传热系数降低;在 X-Z 平面上,第2通道产生一对方向相反的涡,第3通道只产生一个涡.两个通道中的涡都占据整个横截面,这些涡增加了通道流阻.冲击和气膜流动主导了前缘通道内的换热,冲击产生的一对涡加强了流动掺混,促进了前缘吸、压力面上的换热,而高速的气膜出流推动了这一过程.相同流量工况下,第2通道带肋表面的平均换热和局部换热都是最好的,而光滑的第1通道总压降最小,综合换热性能在各个通道中最高.随着雷诺数的增加,各通道吸、压力面的局部换热和平均换热都增强,但压降系数变化不大.      

气膜出流冷气侧气膜孔附近壁面换热特性

为对纯气膜出流冷气侧气膜孔局部换热特性进行实验研究。取气膜孔前后3倍气膜孔径范围为研究对象。通过改变来流雷诺数、气膜出流与来流流密比以及通道高度与气膜孔径比(小于1范围内),对气膜孔的“溢流效应”进行了研究。研究发现,气膜孔局部的换热均随来流雷诺数、气膜出流与来流流密比的增加而强化,随通道高度与气膜孔径比的增大而降低;孔后的换热要好于孔前的换热,各种通道高度与气膜孔径比下,孔后1倍孔径区域努塞尔数普遍比孔前提高大约20%以上;在气膜孔前后越靠近孔的地方换热越强。     

带肋和出流孔通道换热研究

采用热色液晶瞬态测试技术测量了带肋和出流孔通道各壁面的换热系数分布,分析了雷诺数和出流比对换热系数的影响,其中雷诺数的变化范围是20000~80000,出流比的变化范围是0.3~0.6。结果表明:出流比的变化对各壁面均有较大影响,无出流孔带肋壁面的换热沿通道减弱,带肋和出流孔壁面的换热在通道入口处先增大之后沿通道减小;各壁面平均换热增强系数随雷诺数增大而减小。无出流孔的带肋壁面和侧壁的平均换热增强系数随出流比增大而减小,带肋和出流孔壁面的平均换热增强系数不随出流比变化而变化。     

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。     

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。     

带肋和双排出流孔通道的流动特性

研究了通道进口雷诺数和总出流比对带肋和双排出流孔通道流量系数和压力分布的影响。实验研究的通道入口雷诺数为3×104~1.5×105,通道总出流比为0.09~0.22。结果表明:通道总出流比较小时,流量系数沿流向减小。通道进口雷诺数增加,流量系数先增加,之后基本不变;通道总出流比较大时,流量系数基本不变;各工况下总压系数沿流向依次经历迅速减小、基本不变、继续减小的过程;沿流向各位置上的总压系数在通道进口雷诺数为6×104~9×104时最小;出流比增大,沿流向各位置上的总压系数随之增大。     

旋转对冲击射流流动及换热影响的数值研究

为了探究旋转对动叶前缘冲击射流流动及换热的影响机制,采用数值模拟的方法对比分析了静止条件和三种不同旋转转速下的流场结构与换热情况。结果表明:冲击靶面的平均努塞尔数随转速的增大而减小,最高转速下,靶面平均努塞尔数下降约16%。另一方面,压力面和吸力面侧对旋转的敏感性不同。高转速下,换热的削弱主要集中在吸力面和压力面无量纲弧长s/d小于2的区域,压力面s/d大于2区域的换热略有增强;旋转对流场结构产生了明显的影响,旋转改变了射流孔的流量分配,在科氏力的作用下,射流向压力面偏转,这种特征随转速的增大而更加显著。另外,旋转通道内的离心力改变了局部横向流强度。      

窄通道内冲击冷却局部换热特性的瞬态液晶测量

 为了深入了解涡轮叶片中冲击窄通道内的换热特性,采用热色液晶瞬态测量技术测量了冲击窄通道内全表面换热系数,获得了不同冲击雷诺数Re、相对冲击孔间距S/d以及有无气膜孔出流时通道内各表面的换热系数分布规律。结果表明：冲击通道内各个面的换热系数均随雷诺数的增加而增加,其中冲击靶面的平均换热系数最大,在雷诺数较大时,冲击面的平均换热系数要比冲击侧面的大;气膜孔出流和相对冲击孔间距增大均会使冲击侧面和冲击面的平均换热系数明显减小,而对冲击靶面平均换热系数的影响却较小;各个面上受气流直接冲击的区域换热系数最大,同时冲击孔和气膜孔附近区域的换热系数也很大。     

出流孔位置对带肋矩形通道换热特性的影响

为了获得涡轮叶片内冷带肋通道出流孔位置设计参数,采用热色液晶瞬态测量技术研究带有肋和单排溢流孔的内流通道的换热特性,分析出流孔位置对矩形通道壁面换热特性的影响规律。矩形内流通道进口雷诺数Re变化范围是6×104~8×104,通道总出流比Br为0.3~0.60,出流孔分别位于距前肋0.25,0.50,0.75倍肋距处。实验结果表明：出流孔和肋端附近换热得到强化,带肋和出流孔壁面换热最强。在不同孔位置下,带肋无出流孔壁面换热变化不大。出流孔位于肋后0.25倍肋距时,带肋和出流孔壁面和光滑面换热效果最好。     

叶尖及尾缘出流条件下内部冷却通道换热实验

为掌握某型高压涡轮叶片叶尖及尾缘出流流量分配比例对内部冷却通道换热特性的影响,利用瞬态液晶测量技术研究不同进口雷诺数、4种出流流量分配比例下局部换热分布规律及平均换热变化趋势.实验结果表明:相同出流流量分配比例、不同进口雷诺数下局部换热分布规律相似,出流流量分配比例对局部换热分布规律有决定性影响,主要体现在第2及第3通道,叶尖出流孔1出流会削弱这两个通道的局部及平均换热;叶尖出流孔2和尾缘间出流流量分配流量比例变化对第1、第2通道的局部及平均换热影响不大,影响主要在第3通道,提高尾缘出流流量分配比例会显著增强第3通道局部及平均换热.      

气膜孔位置对突肩叶尖气膜冷却效率的影响

采用标准k-ε两方程模型求解雷诺平均Navier-Stokes方程组，研究了气膜孔位置对突肩叶尖间隙泄漏流场、气膜冷却效率和表面传热系数的影响，共模拟了3种气膜孔排布方式:中弧线气膜孔、吸力侧气膜孔、前缘气膜孔，考虑了间隙高度（t）和吹风比（M）的影响。研究结果表明:在冷气流量相同的情况下气膜孔位置对突肩叶尖气膜冷却效率影响很大，中弧线气膜冷却突肩叶尖在中弧线到压力侧突肩区域有较好的气膜覆盖；吸力侧气膜冷却突肩叶尖在中弦处的吸力侧突肩到中弧线区域和尾缘区域有较好的气膜覆盖；前缘气膜孔突肩叶尖在整个叶尖表面都有较好的气膜覆盖。间隙高度对不同突肩叶尖的影响不同。吹风比增大时前缘气膜孔突肩叶尖的气膜冷却效率增幅远大于其余两种排布方式。      

短周期风洞中导叶表面压力和换热测量

在发动机典型雷诺数和压比状态下对一种放大导叶叶型进行了表面静压和换热测量.雷诺数对表面压力系数的影响较小,压比增大使压力系数减小,并且吸力面压力系数最低点后移.雷诺数增大时叶片表面传热系数增加,并且吸力面上边界层转捩位置提前.压比主要影响吸力面传热系数,小雷诺数时压比增大会推迟吸力面上边界层转捩点位置,大雷诺数且吸力面后半段为超声速流动时,增大压比使该区域传热系数降低.保持主流总温不变,叶片表面绝热壁温随叶栅压比增大而降低,相同压比下,叶片表面处于层流状态时绝热壁温比处于湍流状态时低.      

高压涡轮尾切凹槽叶尖冷却换热特性

为研究尾切凹槽状涡轮叶片叶尖的表面换热,通过瞬态风洞实验得到无冷却和带除尘孔两种情况下叶尖表面传热系数,并将其与数值模拟结果进行对比,实验结果的不确定度小于5%。分析叶尖间隙流场情况,无冷却时,由于腔底的空腔涡和凸肩壁的分离泡,高表面传热系数集中在压吸力侧凸肩和腔底前缘处;腔底后半段沿压力侧存在条状低表面传热系数分布。有除尘孔冷却时,冷却气体分为高低能两股流体,高能流体随泄漏流流出,造成吸力侧凸肩存在多段高表面传热系数集中分布;低能流体紧贴凹槽压力侧向后流动,对应位置冷却效率可达0.4以上。      

跨声速涡轮静子端壁气膜冷却数值研究

对跨声速涡轮静子端壁气膜冷却进行了数值研究。研究发现涡轮静子端壁存在几个强换热区域：叶片前缘马蹄涡及前缘马蹄涡区域、吸力面马蹄涡分支覆盖区域、通道中靠近压力面侧和尾缘附近及尾缘后区域。针对端壁区域复杂的换热分布,设计了1种新型端壁全气膜冷却布置。通过数值研究对比了在不同进口吹风比情况下的壁面Nu、壁面气膜冷却效果和壁面热负荷。结果表明：存在最佳的进口吹风比,即在前缘Minlet=1.0时,尾缘Minlet=4.0时,端壁区域冷却效果最好。     

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。      

Experimental research in rotating wedge-shaped cooling channel with multiple non-equant holes lateral inlet

The heat transfer in a novel smooth wedge-shaped cooling channel with lateral ejection of turbine blade trailing edge is experimentally investigated in both non-rotating and rotating cases. Beside the conventional inlet at the bottom of the channel, an extra coolant injection from 8 lateral non-equant holes is introduced to improve the overall heat transfer. The total mass flow rate ratio (lateral mass flow rate/total mass flow rate) varies from 0 to 1.0. The major inlet Reynolds number and rotation number respectively vary from 10000 to 20000 and from 0 to 1.16. Experimental results show that the lateral inlet decreases local bulk temperature and increases local heat transfer at the middle and the top of the static channel. In rotating cases, the lateral inlet notably improves the heat transfer at the high-radius half channel and compensates the negative effects induced by the rotation. Both intensity and uniformity of heat transfer inside the channel are enhanced while flow resistance decreases with proper mass flow rate ratio of coolant from two inlets. The most satisfactory total mass flow rate ratio is around 2/3. This new structural style of cooling channel has huge potential and provides new direction of heat transfer of turbine blade trailing edge.     

带射流的收缩型通道内部换热特性液晶瞬态实验

将航空发动机进气道支板冲击腔简化和放大为一带射流的收缩型通道,并采用最新窄带热色液晶全表面瞬态测温技术对其内表面进行冲击换热实验,具体研究了射流雷诺数、孔径及孔间距变化对努赛尔数分布及大小的影响。实验结果表明:射流雷诺数的增大、孔径的增大及孔间距的减少均使通道内部换热得以加强,但努赛尔数分布的变化及平均努赛尔数的增幅不尽相同;并且侧壁换热受孔间距影响最大,前缘换热则受射流雷诺数的影响最大。     

管道网络算法在涡轮内冷叶片换热计算中的应用

基于管道网络算法的概念,开发了适用于内冷通道换热计算的程序,耦合外流场求解程序HIT3D,以Mark II叶片实验工况5411的结果做验证,传热系数和温度的计算值与实验值有着较好的吻合.在此基础上,对某型高压涡轮动叶内冷通道的复杂流路,建立流体网络计算模型.对原型结构吸力面一侧叶顶新增一排气膜孔,并对前部和后部蛇形通道的两组相邻通道间新增连接起平衡作用的贯通孔各3个.改型设计和原型都用开发的管道网络程序计算流动和换热参数.结果显示:在入口冷气边界条件相同条件下,相对原型,改型设计最高温度和平均温度都有10K以上的降低,叶片吸力面局部高温区集中的状况改有所善.改型设计效果在CFX全三维模拟中亦得到证实.