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。      

不同流动角对变截面双通道内换热特性实验

研究了变截面双通道内肋的角度对通道换热的影响,并且与光滑变截面通道进行了比较。实验模型中,矩形肋对称布置在上下两个表面,肋与来流的角度按两种布置。实验结果表明,带强化肋通道的换热效果比不带肋通道的换热效果增强50%左右;与以往研究结论带有60°平行肋的通道换热效果大于带90°肋的通道的换热效果的结论不同,结果显示,当通道肋高比为0.092时,带有90°平行肋的通道换热效果大于带60°肋的通道的换热效果。      

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。      

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。     

带肋变截面回转通道内沿程有效压力分布特性的实验研究

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,以实验的方法分别研究了带90°直肋和带60°斜肋的通道内的流体流动的特性。根据研究问题的特点,定义了壁面有效压力及局部有效压力系数,并得到了其沿程分布及两种通道内有效压力系数的经验公式。实验发现,对于带90°直肋和带60°斜肋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。      

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。     

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。     

带60°肋和气膜孔矩形通道换热研究

采用非结构化网格和realizable k-ε紊流模型,求解三维N-S方程,对带60°肋和气膜孔矩形通道在入口雷诺数9×104,气膜孔总出流比为0.22时进行了换热特性的数值模拟.带气膜孔的壁面换热特性和实验数据吻合的很好,在此基础上,分析了其它各个壁面的换热特性.结果表明,带肋和气膜孔的通道流场非常复杂,扰流肋的存在使各壁面的换热都得到了增强,但增强幅度的差别较大.换热最强的区域并不是带肋的上下壁面,而是光滑的右侧壁面.     

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.      

旋转光滑及带肋U形通道的局部换热特性

用实验方法研究了旋转状态下光滑及带肋U形方截面通道的换热特性。带肋通道中,90°直肋对称布置在前后缘,肋片高径比为0.143,节距比为7。在实验雷诺数及旋转数范围分别为6100~25100和0~0.26下,对比分析了光滑及带肋通道的旋转换热特性。结果表明,带肋通道的换热明显好于光滑通道;旋转强化了第1通道后缘及第2通道前缘的换热,但削弱了第1通道前缘及第2通道后缘的换热;旋转效应对带肋结构的第1通道前后缘换热的影响最为明显;光滑通道中,弯道效应对其下游换热的影响较为显著。     

不同结构肋化通道对流换热特性的试验

为了研究不同结构肋化通道冲击射流传热的传热特性,设计了4种不同结构的肋化通道,采用试验的方法分别对其传热特性进行了研究,分析比较了不同的肋化结构和冲击雷诺数对传热特性的影响规律.研究结果表明,在冲击驻点区域的传热特性与粗糙肋区域有所不同,具有V形结构肋化通道的传热性能较好.      

船舶燃气轮机冷却涡轮叶片内部带肋冷却通道颗粒沉积特性研究

为了探究船舶燃气轮机冷却涡轮叶片内部冷却通道内肋片角度的改变对颗粒沉积特性的影响,以7种不同肋片角度及1种弯头处加导流片的肋结构作为研究对象,运用CFD数值模拟对比分析各种冷却结构的流动换热性能以及颗粒沉积特性。结果表明：当肋片角度改变时,内部通道的流动换热和弯头壁面的沉积率存在很大差异。肋片角度为45°的内部冷却通道的换热性能相比于换热性能最差的E型肋的平均努塞尔数高了25%;肋片角度为60°时,弯头壁面和弯头后壁面的沉积率最低;肋片角度为90°时沉积率最高;肋片角度为135°时换热性能最差,弯头壁面沉积率最低。肋片角度的改变对弯头侧壁的沉积率和各个部分的撞击率无显著影响,但是增加导流片可以有效降低弯头壁面的捕获率和沉积率以及弯头侧壁的沉积率、撞击率和捕获率。     

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。     

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.      

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。      

叶片内部蒸汽冷却的数值模拟

在某燃气轮机第二级导向叶片的基础上,对叶片内部进行了设计并采用内部蒸汽冷却方式.采用非结构化网格和Realizable k-ε紊流模型,对同时带15°,30°和45°肋的叶片内外流场以及叶片本身进行了三维热耦合的定常数值模拟.热耦合采用在流固耦合面的热对流和固体导热来实现.内部冷却介质选用比空气热容大,粘度低的水蒸汽.结果表明:带肋的通道流场非常复杂,扰流肋的存在使各壁面的换热都得到了增强,相对于光滑通道换热显著,有明显的冷却痕迹,冷却效果明显;采用蒸汽冷却比用空气冷却效果要好;压力面温度普遍低于吸力面温度.