涡轮叶片内部沿周边分布的竹节孔换热特性

根据发动机涡轮叶片内部沿周边分布的竹节孔冷却通道结构建立了简化的传热分析模型.首先通过无量纲分析得到了竹节孔的平均努塞尔数不仅与雷诺数和普朗特数有关,还与"竹节"形状、通道外壁形状以及流体和固体的导热系数比等参数有关.然后,对雷诺数和冷却通道几何参数对竹节孔平均努塞尔数的影响进行了数值模拟研究,计算并对比了上述参数对平均努塞尔数的影响规律,结果表明:①"竹节"结构使平均努塞尔数显著增大,而通道外壁形状主要影响了局部热流密度和局部努塞尔数的分布情况;②随着"竹节"的节高/孔径比的增加,平均努塞尔数单调增大,阻力系数也随之增大;③可通过增大雷诺数和优化节距/节高比来提高竹节孔的平均努塞尔数,计算表明最佳节距/节高比约为10.      

带有加强肋的涡轮机匣排孔冲击连腔结构内部换热特性研究

为获得涡轮机匣内部表面换热系数分布数据,以带有加强肋的排孔冲击连腔结构为对象进行了瞬态液晶实验。研究了不同射流雷诺数（Re=5.1×10³~1.1×10⁴）、冲击间距比（2.5,5.0,7.5）及轴向间距比（4.0,9.0,14.0）对靶面努塞尔数的影响规律。实验结果表明：增大射流雷诺数对靶面平均努塞尔数的提升最显著。随着冲击间距比的增大,靶面平均努塞尔数逐渐减小,但这种换热削弱效果局限在距冲击驻点2D~3D（D为冲击孔直径）范围内,其它区域的变化很小。在靠近前后端壁的局部区域,表面努塞尔数随冲击间距比的增大而增大。轴向间距比的改变不会影响无出流孔靶面的换热情况,对于有出流孔靶面而言,轴向间距比为9.0的结构换热效果最好。Re=5.1×10³条件下,轴向间距比为9.0结构在有出流孔靶面上的平均努塞尔数相比4.0和14.0结构分别增大了5.7%和8.1%,并且随雷诺数增大,增幅越大。     

几何参数对带射流收缩型通道换热特性影响的液晶瞬态实验

采用窄带热色液晶全表面瞬态测温技术,对将涡轮发动机进气道支板的冲击腔进行放大和简化后所得的收缩型通道内表面开展冲击换热实验研究,具体考察了射流孔孔径、冲击距以及通道高度变化对努塞尔数分布及大小的影响.实验结果表明:孔径和通道高度的增大、冲击距的减小均使通道内部换热得以加强,但在侧壁和前缘的努塞尔数分布变化及平均努塞尔数增幅不尽相同;并且通道内部换热受孔径影响最大,受通道高度的影响最小.      

热载与进口气流条件对柱肋通道换热的影响

目前关于燃气涡轮叶片冷却的实验研究多数是在常温常压进口气流和低壁温条件下进行的,而实际燃气涡轮叶片的冷却气流为来自于压气机的高温高压空气,且涡轮叶片壁面热载（定义为加热壁面壁温与冷却气流进口温度之比）很高。为了掌握热载与进口气流条件对于涡轮叶片尾缘内部冷却通道的冷却效果的影响,本文在考虑空气物性随温度变化的情况下,采用数值模拟方法进行了相关的计算和分析。计算选取了两种进口气流条件（常温常压、高温高压）,热载为1.1-1.9,进口气流雷诺数为5×103-1×105。计算结果表明,进口气流雷诺数一定的情况下,随着热载的增大,通道内换热能力降低,流动阻力系数增大;与常温常压进口气流条件相比,高温高压进口气流条件导致通道努塞尔数降低,并且努塞尔数在高热载条件的降低更为显著;在进口气流雷诺数为60000的条件下,高温高压进口气流、热载为1.9的条件下通道的努塞尔数比与常温常压进口气流条件、热载为1.1条件下通道的努塞尔数降低了15.8%,且随着进口气流雷诺数的提高,通道换热的削弱程度进一步增大。本文的研究表明,涡轮叶片的冷却设计必须考虑叶片冷却的实际条件,并对实验数据结果进行合理修正。     

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。     

旋转状态下带肋U形通道内换热的实验研究

用实验方法研究了涡轮叶片内带肋Ｕ形通道状态下的前缘、后缘及两侧面局部换热系数分布。结果表明,在旋转状态下此通道的努塞尔数随雷诺数的增大而增大。在进气通道的后缘和出气直通道前缘,努塞尔数随旋转数的增加而增加;在进气直通道的前缘和出气直通道的后缘,努塞尔数随着旋转数的变化出现几次反复。随着浮力数的增加,通道的平均努塞尔数是下降的。Ｕ形通道参旋转状态下的流动换热规律比静态下的复杂的多。     

针板结构内壁面的换热特性研究

应用瞬态液晶测温技术对一种层板（针板）内壁面进行了详细的换热特性研究,实验分别测量了孔间距与冲击孔径比（S/D）为3.2,4.5和5.9,冲击雷诺数Re范围为10 000～40 000下的内表面换热特性,同时和传统层板换热特性进行了对比分析.研究结果表明:针板内壁面平均传热系数随着Re的增加而增大,随着孔间距增大而减小;同时给出了靶面和冲击面的平均努塞尔数Nu与冲击雷诺数Re及孔径比S/D的数学拟合准则式.      

直接供气预旋转静系的换热

用实验方法研究了直接供气转静系预旋腔内转盘表面的换热情况,得到了转盘表面的局部努塞尔数分布云图、周向平均努塞尔数沿径向的分布以及转盘表面平均努塞尔数随转速和流量的变化规律.实验结果表明:相同流量系数下,旋转雷诺数较低时,主盘面局部努塞尔数的峰值区出现在低半径小分离区的上方,旋转雷诺数较高时,局部努塞尔数的峰值区向高半径移动和扩展,且覆盖的半径范围变宽.相同旋转雷诺数下,流量系数越大,局部努塞尔数的峰值区向低半径移动,其覆盖的半径范围变窄;主盘面的平均努塞尔数与旋转雷诺数或流量系数均呈单调增大关系.      

微尘沉积形貌对冲击气膜冷却结构换热特性影响的数值研究

带有微尘的空气进入航空发动机,极易在涡轮叶片内冷通道发生沉积。为探究微尘沉积形貌对涡轮叶片内冷通道换热特性的影响,选取冲击气膜冷却结构,基于微尘沉积实验结果,构造微尘沉积形貌,由锥状突起和环状突起组成,通过数值模拟获得不同射流雷诺数下冲击靶面努塞尔数Nu。研究结果表明,冲击靶面微尘沉积层的出现,将大幅降低浸润面积平均努塞尔数Nuwetted,而对映射面积平均努塞尔数Nuavg影响较小;冲击驻点周围的高换热区范围减少;相邻冲击孔中点附近的高换热区努塞尔数Nu增大;此外,射流雷诺数的增大整体上提高了冲击靶面的换热强度。由于锥状突起和环状突起的扰动作用, 壁面附近回流涡增多, 使得冲击靶面大部分区域温度边界层厚度增加,因此换热性能降低。     

射流孔交错偏置排布下的楔形凹表面对流换热数值研究

通过三维数值模拟的方法研究了射流孔交错偏置排布下的楔形凹表面对流换热,在射流孔偏置间距比（L/d）为0~2.5、射流孔距凹腔前缘间距比（H/d）为6~12、射流冲击雷诺数（Re）为10000~28000的研究参数下,研究结果表明射流孔交错偏置排布在凹腔中诱导复杂的涡流,对应于射流冲击驻点区的局部表面传热系数得到增强;相对于直线排布的射流孔,小射流孔交错偏距比能够使得凹腔前缘附近沿弦向的展向平均努塞尔数相对射流孔直线排布方式有所改善,随着射流孔交错偏距比增加,沿弦向的展向平均努塞尔数最大值所对应的弦向位置逐渐向凹腔前缘下游迁移.为了在保持凹腔前缘对流换热能力不受到显著削弱的前提下,改善凹腔前缘附近的射流冲击对流换热能力,射流孔交错偏距比宜选择在1倍射流孔直径左右.      

稀疏气膜冷气侧局部换热特性实验

涡轮叶片弦中区的冷却为冲击带初始横流和气膜孔溢流的复杂流动换热,通过实验的方法,研究了涡轮叶片弦中区沿流向局部换热特性和靶板平均换热特性随冲击雷诺数、横流射流密流比、气膜出流与横流密流比以及冲击腔高度与冲击孔直径之比的变化规律,并通过气膜出流与横流密流比对局部换热效果、区域平均换热效果以及靶板整体平均换热效果的影响规律揭示气膜的介人对冷气侧换热带来的影响.     

高压涡轮机匣加强肋表面换热特性试验

针对高压涡轮叶尖间隙主动控制机匣的多层结构,重点分析了机匣内部加强肋和安装螺栓共同组成的基本换热单元,利用热膜法研究了加强肋表面的局部和平均传热系数,得到了不同进气状态、加强肋高度对传热系数的影响规律。研究发现:冲击靶面传热系数随着冲击雷诺数的增长而增大,但传热系数的增长速率随着冲击雷诺数的增大而缓慢降低。3排冲击射流工况中,靠近出流位置的加强肋表面平均传热系数最高。试验结果表明,加强肋表面的传热系数受到加强肋高度和冲击雷诺数耦合作用。在高雷诺数时,增加加强肋高度带来的换热强化效果更加明显。      

涡轮动叶表面换热特性的试验研究

航空发动机性能的提高对涡轮叶片耐热极限提出了更高的要求,为了更准确地分析涡轮叶片的传热特性,选取某型气冷涡轮动叶10%、50%和90%叶高的特征型面通过低导热光敏树脂材料经过3D打印而成,通过叶片表面粘贴厚度为0.02mm康铜加热膜接通恒定电流加热,使用红外热像系统精确测量叶片壁面温度,在平面叶栅中研究了吹风比(M)和雷诺数(Re)对气膜绝热冷却效率和努塞尔数(Nu)的影响(试验中基于弦长的进口雷诺数Re为8.0×10⁴-16.7×10⁴,吹风比M为1-3)。试验结果表明：M=1时气膜能够较好附着在叶片表面,叶片表面得到较好冷却;随着主流雷诺数的增加,绝热壁面温度逐渐升高,绝热效率逐渐降低;吹风比对涡轮叶片的传热特性的影响与气膜孔出流角度有关,随着吹风比的增大,压力面绝热冷却效率逐渐增大,由于吸力面的气膜孔出流角较大,吹风比增大使得吸力面的绝热冷却效率逐渐减小;随着吹风比的增加,对流换热系数增大。     

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.      

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。     

带肋横流通道中气膜孔位置对气膜冷却特性的影响

采用数值模拟方法研究了横流通道中气膜孔与肋的相对位置对气膜冷却传热系数和冷却效率的影响.分析了吹风比为0.5,1,2,横流比为0.39,0.585,0.78时孔靠近上游肋、下游肋以及在两肋中间时对冷却效果的影响,研究结果表明:孔位于两肋中间时,气体进入孔时受的冲击较大,外表面传热系数和冷却效率较高;孔靠近上游肋时,气体孔内流动更加均匀,外表面传热系数和冷却效率均较低.      

不同肋间距变截面回转通道内的流阻和换热特性

实验选取航空发动机涡轮叶片中段内部冷却通道为研究对象,对横肋变截面回转通道内不同肋间距的气流流动阻力和换热特性进行了实验研究。通道进口雷诺数在7000到60000范围内。实验结果表明,随着雷诺数的增加,不同节距比通道阻力系数降低;不同节距比对通道阻力系数和通道平均努塞数的影响呈多峰分布。      

涡轮导向叶片表面气膜孔流量系数的实验研究

对表面布置有多排气膜孔的涡轮导向叶片进行了流量系数实验研究，在不同吹风比和雷诺数下测得了流量系数值。并分析了各种因素对流量系数的影响程度。结果表明：在不同位置气膜孔流量系数分布规律有较大区别，孔排位置一定时，流量系数主要由吹风比决定。该实验结果对涡轮叶片表面气膜冷却的设计研究有重要意义。     

具有微小W型肋的结构化表面冲击冷却实验

将冲击冷却技术与肋化表面相结合，研究了一种具有微小W型肋的表面射流冲击冷却结构。通过稳态实验和瞬态热色液晶测试技术来探究光滑靶板和微小W型肋靶板的传热特性。测试时的冲击间距比为1.5，3和5，基于水利直径的雷诺数为15000~40000。结果表明:两种靶板的平均努塞尔数和压力损失均随雷诺数的增加而增加，随冲击间距比的增加而减小。当冲击间距比为1.5时，与光滑靶板相比，微小W型肋靶板的平均努塞尔数提高了5.1%~7.3%，压力损失却几乎不变。但当冲击间距比大于3时，由微小W型肋带来的强化传热效果并不显著。