涡轮叶片前缘气膜冷却换热实验

针对某型涡轮叶片放大模型的前缘冷却结构气膜冷却效果开展了细致的实验研究,利用红外热像仪测量了叶片表面的温度场分布,分析了前缘的气膜孔倾角、吹风比、主流雷诺数等参数对绝热冷却效率和压力损失的影响.实验中前缘的3排气膜孔倾角变化范围是35°~90°,主流雷诺数变化范围是76112~142624,吹风比变化范围是0.44~2.64.结果表明:气膜孔倾角越小,前缘驻点附近的气膜覆盖效果越好;气膜孔倾角为45°的叶片压力损失系数最小,气膜孔倾角为75°的叶片压力损失系数最大;主流雷诺数增大,绝热冷却效率下降,压力损失系数增加;吹风比增大到1.32时,绝热冷却效率达到最大,吹风比再增大绝热冷却效率反而下降.      

气膜孔倾角对层板隔热屏冷却性能影响

为了获得气膜孔倾角对层板隔热屏(冲击/发散复合冷却隔热屏)冷却性能的影响规律,基于加力燃烧室真实工况,对0°到90°范围内的十种不同气膜孔倾角的层板隔热屏进行了三维流热耦合数值模拟研究,得到了层板隔热屏冲击壁面Nu数、层板隔热屏气膜冷却表面的冷却效果、层板隔热屏冷流体热负荷及气膜孔流量系数的变化规律。结果表明,气膜孔倾角的变化对冲击壁面Nu数的影响较小;气膜冷却表面的综合冷却效果随气膜孔倾角的增大而减小,15°倾角模型比10°倾角模型的平均综合冷却效果降低2.8%;单位面积冷流体热负荷随气膜孔倾角的增大而增大,最小值比最大值低30.7%;气膜孔倾角对层板隔热屏平均流量系数的影响不大,但上游气膜孔的出流会对下游气膜孔的流量系数产生影响。     

涡轮叶片前缘气膜冷却数值模拟

对具有双排气膜孔的涡轮叶片前缘进行了气膜冷却数值模拟,在吹风比M为0.5,1.0的情况下得到了相邻两排孔的流场和气膜冷却效率的分布规律,并将计算结果与实验进行了对比分析.结果表明:①在不同的吹风比下,两排孔的冷气射流运动非常复杂,冷却效率沿流向的分布都是非线性的;在M为1.0时,25°的小角度喷射气膜冷却效果较好.②利用两层k-ε湍流模型比传统的k-ε湍流模型数值预测的精确度高,可较好地模拟叶片前缘的气膜冷却特性.      

主流湍流度对涡轮导向叶片气膜冷却特性影响的实验

采用基于窄带热色液晶的瞬态全表面传热测量技术,研究了主流湍流度对涡轮导向叶片吸力面圆柱形孔排气膜冷却特性的影响规律.结果表明:在实验工况范围内,主流湍流度从0.59%提高至6.85%,可以在气膜出流的上游区域促进气膜贴向壁面并扩大展向覆盖面积,从而改善气膜覆盖效果,但是在主流湍流度较大的工况下,气膜覆盖效果迅速变差;在气膜出流的下游区域,主流湍流度的提高使得气膜冷却效率逐渐降低;主流湍流度的增大,增强了无气膜冷却光滑叶片表面的对流换热;在气膜冷却条件下,气膜出流对叶片表面对流换热的增强效果随着主流湍流度的增大呈现出明显的区域性特点:表面传热系数比在上游区域是先增强后减弱;中游区域是逐渐减弱;下游区域则是逐渐增强.     

主流偏角对单排圆柱型气膜孔冷却特性的影响

数值模拟研究了主流偏角对单排圆柱型气膜孔冷却特性的影响,在气膜孔中心间距相等的计算条件下,在吹风比为1.0时,计算结果与主流和气膜孔都无偏角、主流无偏角而气膜孔有45°偏角这两种流动情况做了对比.结果显示:相对于主流和气膜孔都无偏角时,主流有45°偏角而气膜孔无偏角时气膜平均冷却效率更大,分布更均匀;相比于主流无偏角而气膜孔有45°偏角时,在气膜孔附近处,主流有45°偏角而气膜孔无偏角时气膜平均冷却效率更小,在远离气膜孔的下游位置处,气膜平均冷却效率更大.另外在吹风比为0.5和1.5条件下进行了数值模拟,结果也显示3种流动情况气膜冷却效率分布存在明显差距,有必要对主流偏角对单排气膜孔冷却特性的影响做进一步的实验和数值研究.      

涡轮第一级导向叶片的气膜冷却仿真

气膜冷却是保证航空发动机涡轮导向叶片正常工作的重要方法之一。为研究在较高涡轮前温度条件下气膜孔布置对叶片前缘降温的效果,采用ANSYS CFX的RNG k‐ε模型对选定叶片进行了叶片前缘气膜冷却仿真。根据驻点、流动分离点等条件确定了气膜孔位置,并根据仿真效果对气膜孔布置进行调整。通过仿真结果表明,调整好位置的气膜孔对叶片前缘的冷却效果比较明显。     

污染物沉积和热障涂层脱落对气膜冷却效率影响的数值研究

污染物沉积到有热障涂层的涡轮叶片上之后,会导致叶片表面状况的改变,进而影响气膜冷却效率。为分析影响规律,利用三维数值计算研究了3种典型情况下的气膜冷却特性:污染物沉积、热障涂层脱落及气膜孔堵塞,并得到了吹风比的影响规律。研究结果表明,平板气膜冷却吹风比为0.5时,冷却效果最佳;在发生沉积和堵塞后,气膜孔附近产生的反旋涡对会削弱沉积和堵塞后的气膜冷却效率,沉积高度增加会强化这种削弱效果;由于在沉积情况下高吹风比会诱导出正向旋涡使得气膜贴近壁面,因此随着吹风比增大,气膜冷却效果增强;因涂层脱落而在孔下游产生的裂纹在低吹风比时会降低冷却效率,高吹风比时改进冷却效果,使得最佳吹风比由0.5上升到0.7左右;气膜孔堵塞会降低冷却效率,使得气膜更易脱离壁面。      

双向扩张型孔射流角度对气膜冷却特性影响的实验

设计了气膜冷却实验台,测量了单排7个气膜孔的平均换热系数和冷却效率.气膜孔倾角为20°,45°和90°,孔间距P/d=3.动量比变化范围为1～4.重点研究主流零压力梯度下动量比和孔倾角对换热系数比和冷却效率影响.结果表明,动量比的增加使换热系数比和冷却效率都增加,随着倾角增加,动量比对冷却效率的影响减弱;倾角对换热系数比的影响非常复杂,倾角的增加使冷却效率减小.倾角20°的冷却效率明显高于倾角45°和90°的冷却效率.      

液晶测温法对平板气膜冷却的实验研究

采用热色液晶测温法, 对沿流向倾角30°的圆孔排平板气膜冷却进行了实验研究.测量了绝热壁温、壁温等温度场.研究了吹风比、孔排等因素对气膜冷却效果和换热系数的影响.结果表明:吹风比对气膜冷却效果的影响很大, 冷却效果随吹风比的增大而降低;圆孔气膜冷却效果沿横向位置波动较大, 孔之间容易形成冷却死区.利用液晶测温技术可以很好地反映气膜冷却区域及冷却效果等.      

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。      

涡轮叶片吸力面气膜冷却效率的数值研究

针对某型导向叶片,运用RNG(renormalization group)湍流模型对涡轮叶栅通道内部的三维流场和叶片吸力面的冷却效率进行了数值模拟.分析在叶栅通道主流入口雷诺数Re=4×105～6×105和冷气吹风比M=0.5～3范围内,沿吸力面不同弦向位置处开设气膜孔对气膜冷却效率的影响.结果表明:各位置气膜孔单独喷射时叶片吸力面的冷却效率均随着入口雷诺数的增加而增大;在气膜孔出口下游附近,冷却效率随着吹风比的增加先升高后降低,在下游远处则一直随着吹风比的增加而增大;三个位置处气膜孔单独喷射时,位置1气膜孔的冷却效率较位置2和位置3的高.      

旋转状态下气膜冷却效果的数值研究

为探讨旋转状态下气膜冷却的效果,在不同吹风比和旋转数下,对带有气膜冷却的涡轮叶片进行三维数值模拟,研究了旋转效应对叶片表面冷却效率的影响。结果表明,当叶片旋转时,压力面上的冷却效率增大,吸力面上的冷却效率降低。叶片表面气膜冷却效果随着旋转数的增加而下降。旋转效应对叶片表面冷却效果的影响程度依赖于吹风比。当吹风比增大时,气膜冷却效果随着旋转数的增加而下降的趋势增大。     

有无内部对流换热对导叶冷却效果影响的数值研究

根据导向叶片的曲面结构,运用剪应力输运方程(SST)湍流模型,在不同冷气入口压力条件下,对涡轮叶栅通道内部的三维流场和圆形气膜孔叶片型面的冷却效果进行了数值模拟.计算针对两种情形,即叶片内部有对流换热的情形和无对流换热的情形,结果表明随着冷气入口压力的增加,叶片有无内部对流换热的冷却效果也在增加;有内部对流换热的冷却效果较纯气膜冷却的高,尤其是在叶片前缘.      

涡轮工作叶片表面气膜冷却效率的实验研究

在大尺寸低速线性叶栅风洞上进行实验,采用放大的叶片模型,测量了涡轮工作叶片表面不同位置单排气膜孔的气膜冷却效率,研究了孔排位置、吹风比及来流雷诺数的影响。试验叶片表面上开有8排气膜孔,其中吸力面2排,前缘区3排,压力面3排。实验的参数变化范围是:基于叶片弦长的来流雷诺数250000～450000,吹风比0 5～2 5。结果表明,由于气膜孔排位置的不同,其下游冷却效率受来流雷诺数及吹风比影响的变化趋势也有所不同,孔排位置一定时,冷却效率主要由吹风比决定。该实验结果对涡轮叶片型面气膜冷却的实际工程设计研究有重要意义。     

气膜孔形状对导叶冷却效果影响的数值研究

根据导向叶片的曲面结构,运用剪应力输运方程(SST)湍流模型,针对簸箕形、锥形和缝形气膜孔的流场和冷却特性同圆形气膜孔进行了对比研究.研究结果为:随着冷气入口压力的增加,各种冷却结构的冷却效果也在增加;而在相同的冷气入口压力条件下,各种形状气膜孔的冷却流量和冷却效果不尽相同,在该研究条件下,簸箕形和缝形气膜孔的冷却效果最好,锥形孔次之.      

涡轮叶片表面气膜冷却效率的实验研究

采用放大的叶片模型，利用大尺寸低速线性叶栅风洞进行实验，测量了涡轮导向叶片表面不同位置单排气膜孔的气膜冷却效率，研究了孔排位置、吹风比及来流雷诺数的影响。风洞实验段由3个叶片组成，其中中间的叶片为试验叶片，由优质木材制成。试验叶片表面上开有15排气膜孔，其中吸力面3排，前缘区6排，压力面6排。实验的参数变化范围是：基于叶片弦长的来流雷诺数250000-450000，吹风比0．5-2．5。结果表明，由于气膜孔排位置的不同，其下游冷却效率受来流雷诺数及吹风比影响的变化趋势也有所不同。     

尾迹对涡轮动叶全表面气膜冷却效率的影响

采用压敏漆（PSP）测量技术研究了尾迹对涡轮动叶气膜冷却效率的影响，测试叶片带有11排圆柱形气膜孔。获得了不同质量流量比和尾迹斯特劳哈尔数（Sr=0，0.12，0.36）条件下全表面气膜冷却效率分布的试验数据，结果表明：随着尾迹Sr数的增加，叶片前缘区域径向平均气膜冷却效率最大降低幅度达36.5%，吸力面径向平均气膜冷却效率最大降低幅度达53.5%，压力面径向平均气膜冷却效率最大降低幅度达24.2%；尾迹对前缘和吸力面气膜冷却效率的影响大于压力面；随着质量流量比增加，尾迹的影响减小；在进行涡轮动叶表面气膜冷却结构设计时，不考虑尾迹效应会增加设计风险。     

尾迹对动叶表面簸箕孔气膜冷却影响实验

采用压敏漆(PSP)技术研究了上游尾迹对吸力面和压力面带有单排簸箕形气膜孔的涡轮动叶表面气膜冷却效率的影响，获得了不同吹风比(0.25～1.5)和尾迹斯特劳哈尔数(0、0.12、0.36)条件下涡轮叶片表面气膜冷却效率分布的实验数据，结果表明:尾迹使吸力面簸箕孔后径向平均气膜冷却效率最大下降幅度达0.07，使压力面簸箕孔后径向平均气膜冷却效率最大下降幅度达0.024；有尾迹时，随着吹风比的增加，吸力面气膜孔后冷却效率逐渐降低，压力面气膜孔后冷却效率先增加后降低。      

旋转状态下涡轮叶片复合冷却结构

采用三维流固耦合换热计算研究了旋转状态下涡轮叶片冷却结构的复合冷却性能,讨论了辐射换热和转速对综合冷却效果的影响.结果表明:结构1叶根处出现局部高温区,低冷却效率范围大,叶片整体温度分布不均匀,结构2通过更合理的气膜流量分配提高了前缘附近冷却效率,降低了叶片表面最高温度,结构3采用内部蛇形通道使吸力面冷却效率显著提高,叶片整体冷却效率分布较为均匀；考虑壁面辐射换热时叶片表面温度升高,当表面发射率为1时局部温升超过50K,壁面辐射换热的影响不能被忽略；压力面综合冷却效率随转速增大而升高,3种结构的局部冷却效率最高分别能提升15.6%，13.4%和16.4%,吸力面上除弦中区冷却效率随转速升高有所降低外,其余位置冷却效率变化不大.      

涡轮叶片吸力面上收敛缝形孔气膜冷却效率的数值研究

运用RNG湍流模型对叶片吸力面开设收敛缝形孔的冷却特性进行了数值模拟,分析在叶栅通道主流入口雷诺数Re=4×105~6×105和二次流吹风比M=0.5~3.0范围内,沿吸力面3个典型弦向位置处(分别对应叶栅通道喉部上游、喉部和喉部下游)开设收敛缝形孔对气膜冷却效果的影响。计算结果表明:各位置处收敛缝形孔吸力面的冷却效率随着吹风比和主流入口雷诺数的增大而逐渐升高;与圆形孔相比,各位置处收敛缝形孔沿流向的冷却效率均得到有效改善,且在展向上的分布较均匀;在相同的主流入口雷诺数和二次流吹风比下,位于喉部上游位置的收敛缝形孔冷却效率大都高于其他位置。