斜劈式翼型扰流柱冷却通道流动与换热数值研究

基于NACA翼型和斜劈式纵向涡发生器结构设计了一种新型斜劈式翼型扰流柱及其在冷却通道内的排布形式,采用数值模拟方法对含有该种翼型扰流柱的涡轮叶片冷却通道流动换热特性进行了研究,得到了流场和温度场的详细特征及含有斜劈式翼型扰流柱冷却通道的换热能力。分析结果表明:斜劈式翼型扰流柱有良好的强化换热效果。该翼型扰流柱的斜劈式结构可以在其尾缘后方形成持久而稳定的二次流纵向涡,有助于加强流场的扰动作用,从而增强通道换热能力。      

涡轮叶片带扰流柱尾缘通道冷气流动的数值分析(“两机”专刊)

在涡轮叶片尾缘通道中添加扰流柱可以改变尾缝内冷气流量的分配及流场均匀性,但同时会增加流阻,因此尾缘通道中扰流柱和尾缝的几何匹配对叶片的换热性能有较大影响。本文采用数值方法,以尾缘通道内无扰流柱模型M0为基准模型,对比分析在静止和三种旋转速度下带有三种不同扰流柱结构的尾缘内部流动。其中,M1添加单列扰流柱,数目13,直径D=2mm;M2与M3添加双列叉排扰流柱,数目分别为16和17,直径D=1.2mm,两模型仅在靠近尾缝1处扰流柱布局不同。数值结果揭示：（1）尾缘通道扰流柱可有效增加各尾缝冷气出流的均匀性,对1~3尾缝内的流动影响较大,小直径叉排扰流柱布置形式更优于大直径单排;（2）与M0相比,三组带扰流柱模型的通道压力损失稍有增加。其中,M2和M3基本相同,因对流场扰动较大,略高于M1;（3）随着旋转速度的增加,尾缝内压力损失逐渐降低,但四组模型尾缝内的流场结构没有明显改变。     

出流比对扰流柱通道弦向出流量影响实验

 为了深入了解涡轮叶片尾缘扰流柱区域的流动情况，对叶片内流通道工程计算程序进行验证，针对不同的弦向出流比(弦向出流量与总流量之比),通过实验测量了梯形通道短扰流柱排的端壁静压分布,以及各段弦向出流量沿叶片径向的分布。实验结果表明：（1）当弦向出流比较大时（c≥0.5 ），沿径向静压变化小，扰流柱区域的流动基本为弦向流动。当出流比较小时(c<0.5)时，沿径向静压变化明显，压力先下降而后回升。扰流柱区域的流动既有弦向流动,同时又有径向流动。（2）大出流比时（c≥0.5 ）各段出流量变化幅度相对较小,而小出流比时(c<0.5)各段出流量变化幅度较大。（3）总压损失系数随着出流比、雷诺数的增加而减小。实验结果对涡轮叶片内部冷却计算具有重要的参考价值。     

一类冷却导向叶片的多学科设计优化

提出含冲击、孔排及尾缘劈缝气膜、扰流柱复合冷却方式的燃气涡轮导向叶片多学科设计优化的一种方法.介绍了研究对象的结构特点、换热系数计算方法并给出了部分计算公式.建立了一种一类冷却导向叶片的多学科设计优化模型,以某燃气涡轮导向叶片为例,进行了多学科设计优化,获得了较好的效果.      

涡轮叶片尾缘凹坑/凸起结构气膜冷却特性研究

为探究吸力面凹坑和凸起结构对涡轮叶片尾缘气膜冷却特性的影响,在吹风比M=1.1时(雷诺数Re=2.5×10~5),采用数值模拟方法,通过在叶片尾缘吸力面上加入凹坑或凸起,对涡轮叶片尾缘的冷却性能和流动机理进行了详细分析。结果表明:与原始结构相比,叶片尾缘凹坑和凸起结构提高了劈缝出口下游远距离端X/H6 (H为劈缝宽度,为4.8mm)区域气膜冷却效率,对下游的X/H6区域气膜冷却效率影响较小;三种叶片尾缘结构,沿着流向方向会产生由二维展向涡到发卡涡,再到流向涡的变化过程,凹坑和凸起结构通过抑制流体的扰动,改变流体流动情况,提高了劈缝出口下游远距离端气膜冷却效率。     

小间距梯形扰流柱通道内的流动换热数值计算

为了深入了解涡轮叶片尾缘扰流柱区域的流动结构和换热情况,通过数值计算研究了小间距梯形扰流柱通道内的流动和换热.数值计算结果表明:①数值计算得到的端壁静压分布、弦向出流量分布、总压系数与实验结果符合良好,端壁换热分布规律总体上与实验结果一致.②扰流柱区域的流动方向基本为弦向.沿弦向湍流度是逐渐升高的,靠近弦向出口扰流柱后的湍流度比较低.数值计算结果对涡轮叶片内部冷却计算具有重要的参考价值.      

直肋对扩张型尾缘半劈缝气膜冷却特性影响的实验研究

为探究布置直肋扰流结构的尾缘半劈缝冷却结构的气膜冷却特性,分别采用压力敏感漆技术和瞬态热色液晶技术研究了直肋对扩张型尾缘半劈缝表面的绝热气膜效率和对流换热系数的影响,详细对比分析了吹风比及直肋宽度对三种不同扩张型半劈缝表面的气膜冷却特性。实验结果表明:直肋的加入对小扩张型半劈缝表面的气膜覆盖产生了不利影响,但仅限在小吹风比工况;而直肋对大扩张型半劈缝表面的气膜覆盖有略小的促进作用,但其绝热气膜效率始终低于小扩张型半劈缝表面。肋宽对半劈缝表面的换热增强大小受半劈缝表面形状影响,随着半劈缝表面扩张程度的增大,宽直肋结构的高换热优势逐渐超越窄直肋结构。直肋型尾缘半劈缝冷却结构可有效提升1.45～2倍的壁面热流密度,小吹风比工况时宜选用带有窄直肋的扩张程度较小的半劈缝表面结构,而大吹风比时宜选用带有宽直肋的扩张程度较大的半劈缝表面结构。     

斜劈缝涡轮导向叶片尾缘出流气体流动特性数值分析

通过RNG k-ε湍流模型求解可压流的N-S方程,研究燃气轮机涡轮导向叶片尾缘劈缝出流冷气的流动情况。对斜劈缝涡轮叶片的尾缘部分建立了二维模型,根据航空发动机工况设置边界条件并进行数值模拟。研究表明,由于外流和叶片叶盆尾缘厚度的影响,叶盆尾缘端部形成局部回流,叶片尾缘劈缝气体流出后受压力梯度的影响先抬起与叶背面分离,在流过一段距离后由于跨音速流膨胀波的作用,冷气流再次附着在叶背尾缘上。文章讨论了涡轮叶片叶盆不同尾缘厚度、倾斜角度、几何造型对尾缘劈缝处流体流动特性的影响,对比了不考虑外流流动影响时尾缘劈缝处流动情况的影响。      

双向进气时扰流柱通道内流动与换热特性试验研究

试验研究了两端进气时涡轮叶片尾缘扰流柱通道内的流动与换热特性。试验模型对涡轮叶片尾缘横肋、扰流柱通道进行了简化,并放大四倍,保留了叶片尾缘的基本特征。试验中通过调节扰流柱通道和横肋通道的流量分配,得到各测点的压力分布和努赛尔数据分布。研究结果表明,扰流柱通道两端进气结构,使整个通道的压力分布和换热分布比较均匀,克服了一端进气时流阻和压力损失较大引起的叶尖换热较差的缺点。     

变流向梯形通道内短扰流柱排的流量分配实验

为了深入了解涡轮叶片尾缘扰流柱区域的流动情况,对叶片内流工程计算程序进行验证,针对气流90°转弯全部从弦向流出的情况,通过实验测量了梯形通道短扰流柱排的端壁静压分布,以及各段弦向出流量沿叶片径向的变化。实验结果表明:(1)静压变化主要发生在弦向,尤其是在弦向出口附近静压变化剧烈,而沿径向静压变化不大。(2)在所研究的Re数范围内,靠近叶片根部和尖部的流量较大,而叶片中部的流量较小。(3)弦向出流量沿叶片径向的变化不超过30%。实验结果对涡轮叶片内部冷却计算具有重要的参考价值。      

扰流柱对叶片尾缘对流换热特性的影响

为了研究扰流柱对涡轮叶片尾缘对流换热特性的影响规律,设计了4种不同结构的扰流柱,采用红外热像仪分别对不同形状和排列方式的扰流柱对叶片尾缘气膜冷却特性的影响规律进行了实验研究.研究结果表明,在吹风比较低时,水滴I型扰流柱叶片尾缘的对流换热特性较好;吹风比较大时,圆柱型扰流柱叶片尾缘的对流换热特性较好,水滴Ⅱ型扰流柱叶片尾缘的对流换热系数最小.      

带射流冲击短扰流柱排内的流动和损失

用五孔探针测量了带射流冲击的短扰流柱排内的流场，并用压力扫描阀测量了端壁和柱面的压力分布，分析了在涡轮叶片尾缘区内射流冲击强化扰流柱排通道内换热的机理，研究发现，带射流冲击时流动在靠近扰流柱表面附近速度较大，在对称中心区域有大片低速区，压力系数远远小于无射流时情况，气流经过孔板后压力系数迅速下降，达到最小值，沿流动方向压力系数逐渐恢复。随喷射雷诺数增大，扰流柱表面的分离点位置后移，总结出了实验工况范围内带射流冲击的短扰流柱排内压力损失系数与雷诺数之间的经验公式，便于工程实际应用。     

涡轮叶片表面气膜出流的数值模拟

深入理解气膜出流对涡轮叶栅气动性能和流场结构的影响对于冷却涡轮的设计具有重要意义。本文利用数值模拟手段对涡轮叶栅表面气膜出流与主流相互作用进行了研究,给出了冷却孔附近的三维流场,分析了叶片表面气膜冷却机理以及吹风比对气膜出流与主流相互作用的影响规律。研究结果表明,吹风比增大将导致叶栅内部流动损失增大,且压力面更为明显;当吹风比增大到一定程度,叶片两侧面上将出现掺混肾型涡流动结构,并且在压力面和吸力面诱导出旋向相反的诱导涡。     

带尾缘劈缝冷气喷射的涡轮叶栅性能实验及计算

通过平面叶栅实验和CFD数值计算方法,研究了叶片尾缘全劈缝冷气喷射下涡轮叶栅流场和气动性能。试验和计算发现,在冷气喷射条件下用不同损失系数描述涡轮叶栅性能,结论明显不同,用考虑冷气能量的能量损失系数评价气冷涡轮叶栅性能较为准确和客观。在较小的冷气流量下,劈缝冷气喷射使叶栅能量损失降低,尾缘劈缝冷气喷射可改善近尾迹区域的流动,减小尾迹亏损,降低尾迹掺混损失。尾缘劈缝冷气射流方向偏向叶片某型面,则尾迹损失峰值朝此型面偏移。     

气膜孔局部堵塞对叶片压力面冲击-扰流柱-气膜结构综合冷却效率的影响

运用数值模拟方法研究了气膜孔局部堵塞对叶片压力面上射流冲击-扰流柱-气膜结构综合冷却效率的影响,重点分析了堵塞位置和堵塞比的影响。研究结果表明：无论是气膜孔内无堵塞还是存在局部堵塞情形,随着吹风比增大,综合冷却效率均呈现逐渐增大的趋势;在低的吹风比下,气膜孔出口-尾缘局部堵塞的综合冷却效率略低于无堵塞气膜孔,而在气膜孔进口-前缘和气膜孔出口-前缘的局部堵塞则导致综合冷却效率有较为轻微的上升;在高吹风比下,位于气膜孔出口-前缘和气膜孔进口-前缘的局部堵塞能够抑制气膜射流与主流相互作用所形成的卵形涡,从而冷却效率下降较少,而气膜孔出口-尾缘的局部堵塞则导致综合冷却效率降低较多;堵塞比对壁面沿程综合冷却效率的影响呈现非单调的变化趋势,这是由于冲击-扰流柱-气膜整体式冷却结构的冷却效果取决于内部强化传热和外部气膜防护的多重作用机制。     

涡轮叶片尾缘扰流柱通道流动换热计算

为了深入研究涡轮叶片尾缘扰流柱区域流动的工程计算方法,用开发的基于流体网络计算的一维工程算法,对工作叶片尾缘扰流柱通道进行了计算,并与实验结果进行了对比。计算结果表明:工程计算得出的弦向出流量分布、压力分布从规律和数值上与实验结果都吻合较好,工程算法能够比较准确地计算出扰流柱通道的流动;扰流柱区的气体流动方向基本为弦向,但也存在着一定的径向流动,所以有必要在流体网络计算中设置表示径向流动的流路。     

尾缘冷却跨声速涡轮气动特性的数值模拟

为了明确跨声速涡轮中尾缘冷却措施的引入对其气动性能的影响,针对跨声速涡轮叶栅中压力面半劈缝尾缘冷却方式和尾缘全劈缝冷却方式条件下,叶栅性能和尾缘激波系结构的变化进行了数值研究。结果显示,两种尾缘冷却措施都降低了叶栅能量损失系数,压力面半劈缝尾缘冷却方式效果更好,最佳情况损失系数下降达到48%。冷却流量对作用效果有一定影响,存在最佳值。冷却措施的引入显著改变了尾缘激波系结构,尤其对PSEJ冷却方式,将尾缘激波系压力面分支由原本一道强激波分成三道弱激波。     

紧凑凸肋通道对尾缘劈缝气膜冷却特性的影响

以稳态压敏漆技术和瞬态热色液晶技术为测量方法，实验研究了尾缘区域凸肋内冷供气通道对外部气膜冷却特性的影响，详细对比分析了直肋间距和吹风比对尾缘劈缝扩张表面的气膜冷却效率、对流换热系数和劈缝流量系数的影响，并引入热流密度比来衡量对比紧凑凸肋通道对劈缝表面的综合冷却效率增强性能。实验结果表明：劈缝流量系数受吹风比的影响较小，随肋间距的增大而减小；凸肋通道明显加强了射流的混乱程度，导致其与主流掺混程度加剧，降低了劈缝表面远下游区域的气膜冷却效率，小肋间距结构气膜冷却效率略高于大肋间距结构，随着吹风比的增大，凸肋通道结构与基准结构的气膜冷却效率差异减小；凸肋通道结构可提升基准结构缝出口区域的低换热性能，尤其对于小肋间距结构，大吹风比时，缝出口的换热核心区沿流向延伸效果增强；具有小肋间距的凸肋通道对尾缘劈缝的综合冷却性能有促进作用，其中肋间距p/h=4结构可提升15%～20%的综合冷却性能，而大肋间距结构明显降低了基准结构的综合冷却性能。     

前缘气膜孔布局对涡轮转子叶片流动传热的影响

为了研究不同前缘气膜孔布局对叶片内部冷却系统、温度场分布的影响,针对某典型冲击-对流-气膜复合冷却高压涡轮转子叶片,保持叶片主体冷却结构不变,通过改变叶片前缘各列气膜孔的数量形成5种结构方案,完成了1维流动换热及3维有限元温度场计算。并模拟发动机工况,试验研究了叶片内腔流量特性、叶片中下部2个截面的平均冷却效果随压比、流量比的变化规律。计算及试验结果均表明:涡轮转子叶片前缘气膜孔数量及布局对叶片前腔冷气量、前缘温度分布影响明显,而对后腔冷气量、尾缘温度影响较小。     

涡轮叶片二维冷却结构参数化设计技术研究

研究了涡轮叶片二维冷却结构的参数化设计技术。采用参数控制点方法实现冷却叶片壁面的变厚度设计,采用隔肋数量、位置参数、偏转角度实现任意数量和形式的冷却腔造型,根据前缘缩进参数确定冷却通道前缘切线弧位置,通过尾缘切割参数实现半劈缝和全劈缝尾缘结构设计。结合叶片外形造型技术开发了造型设计程序,该程序可建立包含任意形式冷却通道和常用尾缘结构的变壁厚二维冷却叶片模型。