侧向冲击楔形通道旋转换热特性的实验研究

为研究侧向冲击入流对于涡轮转子叶片内部冷却结构的影响,针对带侧向冲击入流的叶片尾缘简化的楔形通道开展实验研究。实验采用铜块加热法,在Re=5×10~3～1×10~4和Ro=0～0.54内实验研究了通道内展向及流向的换热特性。结果表明,静止下的侧向入流冲击导致通道中部和内侧区域换热显著强于外侧区域,而旋转导致展向换热差异增大。通道中段局部换热随旋转数增大呈现典型的先减弱后增大的趋势,且对应最低换热水平的临界旋转数随着径向沿程的增大而减小。相比静止通道,旋转通道内的平均换热水平最大下降15%左右(Ro≈0.15),最高相比强化20%左右(Ro≈0.55)。     

温度比对旋转直肋双通道换热特性的影响研究

为了研究旋转涡轮叶片内部冷却通道的换热特性,将叶片内冷通道简化为带90°直肋的旋转双流程方通道,通过旋转加热实验的方式研究了温度比对旋转直肋双通道换热特性的影响。实验进口雷诺数范围为1×104~5×104,旋转数范围为0~2.02,实验平均温度比分别为0.11,0.16,0.20。研究结果表明,与光滑通道实验数据相比,90°直肋削弱了旋转对换热的影响,同时破坏第二通道后缘面附近的不稳定二次流,造成后缘面换热弱于前缘面;温度比是通过改变冷却空气物性与通道内浮升力对旋转通道换内热特性产生影响,温度比的提高引起的物性变化对通道换热具有削弱作用,静止情况下温度比0.20对应的换热与温度比0.11相比,被削弱程度可达16%,而浮升力对换热具有增强作用;低旋转数下,由温度比引起的浮升力作用与物性作用相互中和,高旋转数下温度比的增大对通道换热特性的增强作用更加明显,并且第二通道换热特性受温度比变化影响较第一通道小。     

浮升力对旋转U型通道流动与换热影响的数值研究

为研究浮升力对高旋转数(0~2.013)U型通道流动与换热的影响,采用k-ωSST两方程模型对其展开数值研究。分别对相同旋转数,不同温比(0.12,0.17和0.22)和相同温比(0.22),不同旋转数条件下的U型通道进行研究。结果表明:在径向外流直通道中,浮升力诱发通道前缘面发生流动分离,前缘面的换热能力随旋转数的增大先减小而后增大;在径向内流直通道中,受浮升力影响流体呈双峰流型。随旋转数增大,前后缘面间Nu/Nus的差别减小,当旋转数增大到1.0左右时,后缘面的Nu/Nus的值超越前缘面。在静止通道内,温比越小换热能力越强;旋转通道与之相反。计算结果验证了浮力数在评价壁面换热能力的变化时,综合考虑了旋转数和温比对壁面换热的影响。     

高旋转数下带肋回转通道的换热特性

为匹配真实发动机转子叶片的工作条件,将实验回转通道气体压力提高到500kPa以上,使雷诺数和旋转数范围分别扩展到10000~70000和0~2.08.在此基础上通过实验方法研究了高旋转数下带45°倾角斜肋的方形截面回转通道的换热特性.结果表明:回转通道的第1通道前缘面传热系数随旋转数的增大先减小,在达到临界旋转数后换热随旋转数增大而增强;低旋转数下,回转通道的第2通道前后缘面换热差异较小,随着旋转数的增大,前缘面换热始终强于后缘面,这种换热特性与光滑通道完全不同.      

高旋转数下直肋U型方通道的换热特性研究

通过提高U型通道气体压力到500kPa以上,将实验雷诺数Re和旋转数Ro范围分别扩展到10000～70000和0～2.0,从而匹配真实发动机转子叶片的工作条件。在此基础上实验研究了高旋转数下带直肋的、方形截面的U型通道的换热特性。研究结果表明:第一通道前缘面的努塞尔数比随旋转数的增大先下降后增强,该临界旋转数为定值Roc=0.26;随着旋转数的增大,第二通道前缘面的努塞尔数比一直高于后缘面,与光滑通道中的换热规律不同;随着旋转数的增大,第二通道内外侧面努塞尔数比的差异逐渐减小,在临近出口处几乎没有差异,与光滑通道相比正好相反。     

旋转U型通道流动与换热特性的数值研究

应用k-ω SST（shear stress transport）湍流模型,计算分析旋转U型通道在不同进口雷诺数（10000~60000）和高旋转数（0~2.013）范围内的流动与换热特性.结果表明:在静止和旋转状态下,进口雷诺数越大,努塞尔数越大.相比于同一工况下的静止状态,旋转显著增强了径向外流直通道的换热强度,径向内流直通道换热强度增大不明显.旋转数对U型通道换热的影响主要通过改变哥氏力和浮升力的大小.受哥氏力的影响,径向外流直通道后缘面换热增强,前缘面换热减弱.浮升力诱发了近壁面的流动分离,使得径向外流直通道前缘面不同位置处的换热强度随旋转数的增加而先减小后增大,计算得到的临界旋转数变化规律与实验测量结果保持一致,即无量纲距离参数与临界旋转数的乘积为定值.      

旋转作用对带肋回转内通道换热特性影响

为了深入了解旋转作用对回转内通道换热特征的影响,采用三维数值模拟方法研究旋转数、旋转半径对带肋内通道模型的流动换热影响。通道入口雷诺数为1.7×104、旋转数范围为0～0.09,出口1、出口2、出口3的质量流量分配比为1∶2∶1,旋转半径与水力直径之比的范围为0～69.6。结果表明:旋转作用力使径向出流通道的压力系数逐渐增大,径向入流通道的压力系数迅速减小;径向出流通道后缘面的努赛尔数(Nu)随旋转数增加而增大,径向入流通道后缘面的Nu随旋转数增加而减小,前缘面Nu随旋转数变化情况相反;前、后缘面Nu沿流向均随旋转半径与水力直径比的增加略有增大,旋转半径变化对壁面换热影响较小。     

高旋转数下不同通道转角梯形带肋回转通道的换热特性

为研究截面形状和旋转效应对高压涡轮动叶内部冷却通道换热的影响，对雷诺数为10000～50000，旋转数为0~209，通道转角为0°、225°、45°的带直肋双流程梯形截面通道换热特性进行了实验研究。结果表明:静止状态下，在第一通道，梯形通道后缘换热强于前缘；在第二通道，前、后缘换热区别不大，后缘的换热略强于前缘。旋转状态下，对0°通道转角，随旋转数的增大，第一通道的后缘面换热仍强于前缘面和外侧面，且差异更明显；第二通道前缘换热相对后缘增强。在较高旋转数（旋转数大于1）时，0°通道转角工况的换热最强，45°转角最弱。      

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。      

高旋转数内冷通道换热实验技术及验证

通过内冷通道换热理论分析及实验系统优化,获得了使内冷通道内气体压力保持在500kPa以上的高旋转数实验技术.旋转数和雷诺数的范围分别为0~2.08,104~7×104,极大满足了旋转数与雷诺数同时覆盖真实发动机涡轮叶片工作参数的实验需求.证实了雷诺数和旋转数对内冷通道换热的影响可以解耦.而应用该实验技术进行同等旋转数实验时,内冷通道热损失占总加热量的比例和实验误差分别降低到18%和±10%.