带热障涂层涡轮冷却叶片冷却特性计算方法研究

阐述了航空发动机高温涡轮冷却叶片热防护系统流体动力与冷效特性计算方法。计算方法考虑了叶片隔热涂层对发动机气冷叶片冷却效果的影响,在发动机过渡态工作过程中考虑了叶片和隔热涂层的瞬态热传导,建立了瞬态带隔热涂层复合涡轮冷却叶片流体动力与冷效特性计算的计算模型,并完成了相应的程序编制。     

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。     

涡轮叶片全表面换热特性试验研究

气冷叶片表面对流换热系数对气冷叶片设计至关重要。为了研究气冷叶片表面对流换热特性,设计了典型气膜冷却叶片,采用试验与数值计算相结合的方法对气冷涡轮叶片表面流动换热特性进行了对比研究,获得了叶片表面温度场及叶栅通道内部流场分布特征。结果表明:叶片表面的换热受叶栅流道结构的影响较大。在叶片前缘滞止点以及主流加速剧烈的位置换热较强,加入气膜孔可以局部增强叶片表面的对流换热,但却没有改变叶片全表面换热的变化趋势。     

内冷涡轮叶栅三维气热耦合数值模拟

为了研究涡轮动叶的内部冷却技术,对采用绝热边界的实心叶片、采用气热耦合的实心叶片和采用气热耦合的空冷叶片进行了研究.发现叶片导热对叶片温度场的影响相当显著;具有带肋蛇形通道和涡流矩阵肋片的内冷结构能使叶片温度大幅下降,但叶片表面温度分布不均匀性增大,换热系数沿叶片表面呈不规则分布.      

空心气冷低压涡轮动叶气热耦合数值模拟

以空心气冷低压涡轮动叶为研究对象,采用高质量的流体域和固体域网格控制技术,带转捩模型的双方程SST湍流模型,开展了基于CFD方法的叶片气热耦合问题研究。获得了不同冷气流量比(分别为1.0%,1.38%,1.8%和2.2%)、温比(分别为2.1,2.25,2.3,2.4和2.5)和压比(分别为1.4,1.6和1.8)对叶片换热特性的影响规律,设计状态中截面按弧长平均的叶片壁面金属温度计算值较试验值偏小0.3%,气热耦合计算的叶片壁面温度分布与试验结果吻合良好,验证了气热强耦合计算方法的精度,为涡轮叶片温度场分析提供了一种有效的方法。     

圆转方内喷管换热特性

为了解圆转方内喷管再生冷却的换热特性,采用数值模拟的方法,分别对内喷管燃气、壁面和冷却液建立不同的控制方程,进行流动和传热的耦合计算,得到了内喷管和冷却液的流场和温度场。计算结果表明:转方之后的扩张段,如果型面不连续,间断点之后出现压缩波,波后壁面的温度和热流密度出现峰值,成为另一个危险截面;而且不连续壁面的温度高于光滑壁面的温度,使扩张段圆周方向壁面温度分布不均匀,造成热应力的不均匀;冷却肋和高导热系数的锆铜加强了冷却通道的换热,使冷却肋附近的气壁温度低于冷却通道底部气壁的温度。     

交错肋通道换热和流阻特性的研究

针对布有交错肋的涡轮叶片尾缘内冷通道进行了换热以及流阻的实验研究.实验结果表明, 变截面带肋通道的换热效果和流阻都高于等截面带肋通道.等截面通道和变截面通道相对于光通道而言Nu数分别提升了4-6倍和7倍, 但其流阻系数相应的也分别提高了400倍和600倍左右.变截面带肋通道的综合换热效果同样优于等截面通道.      

具有针肋的狭窄空间冲击冷却实验和数值计算

对具有全高度针肋扰流的狭窄空间冲击冷却进行了实验和数值计算,并与平板靶板冲击冷却传热性能进行了对比分析.射流冲击雷诺数范围为15000~30000.实验采用瞬态液晶热像技术获得了冲击靶板上详细的传热分布,并通过数值计算获得了冲击冷却系统中的流场和传热特征.实验研究表明:狭窄空间冲击冷却中的针肋靶板端壁上的平均传热性能比平板靶板提高约7.0%,压力损失提高约17.9%,并且针肋改善了靶板端壁上传热均匀性.另一方面,数值计算分析表明近壁面射流以及空间中的上洗涡流与针肋表面发生强烈相互作用,并且针肋显著地增加了换热面积,因此具有针肋扰流的冲击冷却系统具有显著增强的总体传热性能,比平板冲击冷却提高约27.0%.      

涡轮叶片综合冷却效率实验研究

为了研究气冷涡轮叶片综合冷却效率及其影响因素,采用红外热像仪对叶片表面温度场进行了测量,同时在叶片中截面布置了15支热电偶用于校准红外热像仪的测量结果,获得了叶片表面温度场分布以及流量比、温比和落压比对叶片综合冷却效率的影响规律。实验结果表明：叶片温度场分布受内部冷却和外表面换热共同影响,叶片前缘与叶尖处于较高温度状态;在实验工况内,增加流量比可以有效提高叶片综合冷却效率,流量比从0.02增加到0.07时,平均综合冷却效率从0.426升高到0.645,提高了51.4%;温比对综合冷却效率影响不明显,但大温比可以降低叶片温度;落压比从1.3增加到1.5时,平均综合冷却效率由0.524上升至0.565,升高了7.8%。     

微小通道在叶片冷却结构中的应用研究

采用数值计算的方法,针对涡轮叶片中部的微小通道冷却结构进行了换热以及流阻特性的分析,得到了微小通道宽高比和肋厚高比对其特性的影响.在进口雷诺数R_e=11000时,若肋厚高比一定,则该冷却结构的综合换热效果随微小通道宽高比的增加先增加后减小;若微小通道宽高比一定,则该冷却结构的综合换热效果随肋厚高比的增加呈现先增加后减小的趋势.      

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。     

复合式气冷涡轮导叶冷却设计与试验

介绍了某型复合式气冷涡轮导叶的冷却设计与试验研究,在较高的温度和压力条件下,进行了真实叶片的冷却效果试验。通过对试验状态的对比计算及试验结果的分析,结果表明:所设计的涡轮复合式气冷导叶在较宽广的冷气流量比范围内,具有良好的冷却特性,计算结果与试验结果吻合较好。      

风兜面积对气冷喷油杆性能影响的数值研究

以某型涡扇发动机加力燃烧室气冷喷油杆为研究对象,在梯形截面的风兜下底和高度不变的情况下,通过改变上底长度得到一系列不同风兜面积的几何模型,综合考虑外流场对气冷喷油杆内部流动和换热特性的影响,对其在巡航状态下进行了流/热/固耦合三维数值模拟研究,获得了不同风兜面积对气冷喷油杆引气率、冷却空气喷口流量分布、壁面平均冷却效果、壁面最高温度的影响规律.结果表明:引气率随风兜面积增大线性增大;喷油嘴凸台周围冷却空气喷口的流量沿气冷喷油杆内冷却空气流向呈二次曲线规律变化,且随风兜面积增大分布趋于均匀;随风兜面积增大,喷油杆、隔热套壁面平均冷却效果线性增大,壁面最高温度降低;有效抑制内涵高温燃气倒灌进入隔热套是避免喷油杆局部高温的关键.      

高压涡轮导叶内冷通道流动特性计算分析

涡轮叶片内部冷却特性直接影响到叶片的壁面温度分布,必须对其展开详细的研究。本文利用网络法计算研究了某高压涡轮导叶内部冷却通道中的流动和换热特性,并进行了相应的流量特性试验研究。结果表明,改进后的计算程序可以较为准确地模拟出叶片内部冷却通道中的流量分配和压力、温度分布,以及冷气沿径向和弦向的压力损失。流量特性计算结果与试验结果吻合较好。      

复合式气冷涡轮导叶综合冷效试验研究

介绍了复合式气冷涡轮导叶的冷却效果试验研究。试验结果表明，导叶在宽广的冷气流量比范围内，具有良好的冷却特性，经模化分析，在发动机状态下，叶片中截面相对冷却效果为0．69，达到了设计指标。     

冲击粗糙壁面复合冷却实验研究

对有初始横流的冲击粗糙壁面复合冷却技术进行了实验研究。由以往研究可知,影响换热效果的因素很多,主要可分为流动参数和几何参数。本文主要通过实验以了解各种流动参数、几何参数对换热特性的影响规律,并对其结构设计提出有价值的参考意见。      

气冷叶片表面局部对流换热系数的数值计算

本文提出了联立求解二维可压缩边界层方程组和稳定导热方程的迭代法,从而修正了文献[1]假定物体表面温度等于来流总温的局限;同时提供了用这种方法计算气冷叶片表面局部对流换热系数的完整的FORTRAN程序。文中用近似积分法求解边界层方程组,用有限元素法计算叶片的稳定温度场。算例的结果与有关的理论及实验结果相接近。     

涡轮叶片多层结构热障涂层隔热效果分析

为了获得叶栅流场作用下涡轮叶片热障涂层隔热性能,建立了带多层结构热障涂层的高压涡轮导叶模型,采用热流耦合方法计算热障涂层系统温度场,对叶片不同部位的涂层隔热效果,以及厚度和主流进口温度对隔热效果的影响进行研究。结果表明:涂层实际隔热效果在叶片吸力面最好,在尾部最差,在压力面沿顺流方向渐好。虽然涂层表面温度不同,但涂层内部的温降幅度与涂层表面温度的相关性不大,在吸力面涂层内部的温度降幅斜率最大,在尾部最小。隔热面层厚度每增加0.1 mm使合金平均温度约降低30℃。涂层隔热效果对主流进口温度较敏感,主流进口温度的变化与基底合金温降指标变化呈线性关系。     

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.      

过热蒸汽射流冷却叶片热耦合数值模拟

在对射流冷却平板模型和射流冷却凹板模型数值模拟的基础上,设计了射流冲击冷却式蒸汽冷却叶片,并对其进行了热耦合数值模拟.通过改变平板和凹板的进口雷诺数,射流孔与靶板间距和凹板曲率,对靶板的冷却传热进行了对比研究,得到传热量与各个参数的变化规律.然后根据上面得到的变化规律设计出射流冲击冷却式蒸汽冷却叶片,应用ANSYS CFX 10.0数值程序,对冲击冷却的流动和传热过程进行了三维热耦合数值模拟,得到叶片表面温度和对流换热系数分布.