低压涡轮叶片内冷通道不同强化换热方案的换热特性

利用数值计算和实验相结合的方法,对原型涡轮叶片、改进型叶片和简化后的内冷却通道的模型进行了研究。结果表明,改进的内部冷却通道结构较原型结构冷却效果提高了约7.8%。这种结构改型不但可以强化整个通道的换热,使叶片平均温度降低,同时还可以改善壁面温度的分布,消除局部过热产生的热应力。      

某涡轮导向叶片换热实验与计算

针对某涡轮导向叶片,实验测量了光滑叶片表面的压力系数和速比系数,并使用瞬态液晶测量技术获得了叶片全表面传热系数分布.分别使用shear stress transport（SST）,k-ω,k-ε和renormalization group（RNG）k-ε四种湍流模型模拟了相同结构尺寸的叶栅通道内的流动与换热,并与实验结果进行对比.结果表明:压力面压力系数沿弧长方向逐渐下降,吸力面上压力系数先快速下降达到最小值后缓慢上升（出现逆压梯度）.叶栅通道和叶片表面附近气流流动结构的复杂性导致叶片表面传热系数分布较为复杂.4种湍流模型对压力系数和速比系数的计算结果相互差别不大,计算数据也比较接近实验值.关于叶片表面传热系数,SST模型计算结果分布规律与实验接近,而其他3种湍流模型都没有能模拟出吸力面边界层分离对换热的影响.      

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.      

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.      

旋转状态下气膜冷却换热特性的实验研究

基于一个平板叶片模型对旋转状态下气膜冷却现象的换热特性进行了实验研究,得到不同吹风比情况下气膜冷却换热系数随主流雷诺数和旋转数变化的分布规律。实验利用热色液晶(TLC)测温技术对叶片表面的二维温度场进行测量,采用空气和二氧化碳模拟不同冷气与主流的密度比,并使用无线遥测技术对旋转系中的温度信号加以采集。结果表明：由于受到离心力与哥氏力的综合作用,叶片压力面与吸力面上的强化换热区域向高半径处发生偏转,且偏转趋势在吸力面上更为明显;随着主流雷诺数的增大,压力面上的换热系数不断增大,而在吸力面上则先减小后增大;此外,主流雷诺数的变化对压力面和吸力面上强化换热区域的偏转现象没有明显影响。     

具有弯扭叶片的燃气透平正问题计算方法

本文开发了一个实用的多级燃气透平S₂流面跨音正问题的计算程序,用它对一台燃气透平的改型设计进行了计算。通过计算研究了弯扭叶片在透平改型设计中应用的可能性;分析了不同的叶片弯曲方法给透平性能带来的影响;提出了对弯扭叶片的气动设计具有指导意义的意见。      

攻角对涡轮叶片表面流动及换热的影响

利用短周期跨声速换热风洞测量非设计状态下攻角对涡轮叶片表面静压及换热的影响,研究攻角对涡轮叶栅压力分布及换热系数分布的影响规律。实验结果表明,攻角变化对吸力面压力分布影响较大,正攻角时在靠近吸力面前缘处产生很大的逆压梯度,随攻角增大吸力面后部压力逐渐增高,负攻角时压力面前缘产生较小的逆压梯度;正攻角主要影响吸力面换热系数,随攻角增大吸力面前缘局部区域换热显著加强,负攻角主要影响压力面换热分布,随攻角减小压力面换热加强,大雷诺数下换热系数分布规律与小雷诺数时基本一致。     

某直径11厘米微型扩压器的改型设计(英文)

为了提高某直径11厘米微型涡轮发动机性能,采用新概念微型扩压器对其性能很低的扩压器部件进行了改进设计,并且研究了通道截面积对新型扩压器性能的影响。由整体式主叶片和分流叶片组成的新型扩压器在设计中被看作一系列管道。改型设计所得扩压器替换原型扩压器用于了微型发动机,在该发动机试车中测得了新扩压器的性能。CFD计算和实验测量表明,在不改变装配尺寸的前提下新型扩压器获得了先进的性能(压力系数超过0.65,总压恢复系数超过0.9)。对扩压器进行改型后,直径11cm的微型发动机推力提高了约11%,耗油率降低了约9%。     

考虑涡轮传热性能的气动设计耦合计算方法研究

为了在涡轮叶片气动型线设计过程中同时提高气动效率并保证传热性能,提出了一种基于一维管道网络法和三维CFD的耦合计算方法,分别采用管网/三维耦合计算方法和全三维耦合计算方法对MARK-II冷却叶片多个工况进行计算,两种数值计算方法计算结果与实验数据交叉对比,以验证本文计算方法可行性。计算结果表明,两种数值计算得到的叶片型面压力、温度、换热系数和实验值都比较吻合,但管网/三维耦合计算得到的壁面温度相比全三维耦合计算结果整体略微偏低,最大偏差不超过3.89%。基于管网/三维耦合计算方法对某航空发动机涡轮第二级动叶叶片型线优化设计,气动效率提高0.34%,壁面平均温度几乎没有变化。     

叶片压力面到吸力面射流对其气动特性的影响

提出了从叶片压力面到吸力面开孔射流延缓吸力面尾缘气流分离的思想,建立了考虑射流影响的叶片三维流场数值计算方法。以NASA67风扇叶片为原型进行开孔设计,通过数值模拟分析了开孔射流对该风扇叶片的流动特性、性能和稳定性的影响,初步研究表明经开孔射流处理能有效改善叶片吸力面尾缘的流动特性,从而提高压气机性能和稳定工作范围。     

敷设热障涂层气冷叶片温度分布数值研究

针对一种内冷通道射流腔交替布置在压力面和吸力面的叶片冷却结构,利用FLUENT软件对敷设热障涂层的气冷叶片温度分布进行了三维共轭传热计算,分析了热障涂层厚度对叶片金属基体表面温降水平的影响,同时对比了有/无考虑燃气与叶片表面辐射换热的叶片表面温度分布差异.研究结果表明:在叶栅通道燃气流进口总温为1600K、冷却气流进口总温为700K的条件下,当冷却气流与主流流量之比约为7.47%、热障涂层厚度为0.2mm时,该叶片冷却结构的最高温度可以控制在1100K以内;在假设热障涂层表面发射率与金属壁面发射率相同的前提下,厚度0.15~0.35mm的热障涂层可获得的最大降温大约在80~180K范围内;考虑/不考虑辐射换热的叶片表面最大温差可以达到60K.      

射流、旋流、出流共同作用下矩形通道换热特性

在放大模型上详细研究了不同雷诺数和出流比下涡轮叶片内冷通道中冲击靶面、出流面和冲击侧面的换热特性.采用热色液晶瞬态测量技术测量通道内部各个面的传热系数,得到以下结论:靶面直接受到射流的第一次冲击,射流形成旋流对出流面进行第二次冲刷,对冲击侧面进行第三次冲刷;靶面受到冲击孔射流的直接冲击,因此换热最强;冲击侧面只受到旋流、横流影响,因此换热最弱;冲击和旋流是通道各个面换热强化的主要原因;换热随雷诺数的增大而增强.出流比对各个面的换热分布及大小也有一定影响.      

传热对微型离心叶轮间隙泄漏流动影响的数值研究

针对某微型燃气轮机的微型离心叶轮,采用三维数值模拟方法,将绝热壁面情况和考虑传热影响情况下的叶轮性能和内部流场进行对比研究,重点分析壁面传热情况对微型离心叶轮间隙泄漏流动的影响.研究发现:传热对叶轮性能的影响主要集中在其对间隙泄漏流的作用上.绝热条件下间隙泄漏流轨迹沿叶片吸力面向下游发展,传热则使得间隙泄漏流动迹向相邻叶片压力面偏转,增强间隙泄漏流与主流的掺混导致间隙泄漏流损失增大.与绝热情况相比,传热虽然在一定程度上减弱了叶片通道内的压力梯度,但由于热量的传入会导致间隙泄漏流初始堵塞增大,最终仍会在叶片通道内造成更大的间隙泄漏流堵塞.     

Measurements of heat transfer and pressure in a trailing edge cavity of a turbine blade

 An experimental investigation is conducted to obtain the heat transfer and pressure drop data for an integral trailing edge cavity test section that simulates a novel turbine blade's internal cooling passage with bleed holes. Local heat transfer is measured on both the suction and pressure sides by a transient liquid crystal technique, while pressures at six positions are recorded by pressure calibrators. Moreover, flow characteristic and its effect on heat transfer are analyzed for conditions with or without bleed flow. The experimental results show that, in the cases with bleed flow, local heat transfer on the pressure side exceeds that on the suction side in the first and second channels. In the cases without bleed flow, in the first and third channels, local heat transfer on the suction side weakens whilst it increases significantly on the pressure side. For the second channel, non-bleed condition leads to a more balanced heat transfer distribution between the upstream and downstream channel. Besides, after the bleed holes are blocked, heat transfer in the first bend region on the suction side declines sharply, while the opposite phenomenon occurs for the second bend region on the pressure side. In both bleed and non-bleed cases, the total pressure of six measurement positions decreases continuously along the channel at the same Reynolds number and it promotes for higher Reynolds number. Among all the measurement points, under the same flow rate condition, the highest speed occurs at Position 5, which also shows the maximum difference between the total and static pressures. When the bleed holes are blocked, the total pressure at each measurement position appears to increase.     

涡轮叶片内冷却通道的流阻与换热研究

用实验方法研究了冷却气流在放大1倍模型涡轮叶片内通道的压力、冷热态流阻及局部换热系数分布。得出了相应的经验公式。冷却空气径向进入前缘冷却通道, 到顶端折而向下在两隔板间流动, 大部分空气经隔板5个穿孔弦向流入带三排扰流柱的收缩通道, 并弦向排出叶片尾部。      

高压涡轮工作叶片内部流场特性试验研究

为研究变工况特性下涡轮叶片内部通道流场特性，选取高压涡轮二级工作叶片内部通道作为研究对象，在5种不同的进口雷诺数（Re）工况下，利用TRPIV（时序PIV）技术对通道内的流场特性进行了试验研究。Re变化为32426～64700，模拟了飞行循环过程中的若干典型工况。在先进加工技术的辅助下，保留了真实叶型约束下的完整内冷三通道带肋结构，捕捉到一些不同于常规截面两通道模型等简化模型中的流动现象，包括：弯头区域不对称主流分离结构和非对称二次涡系。通过数据分析，明确了高、低雷诺数下流动特性的差异。在高Re工况条件下，弯头出口附近的冲击区域增大；对于第一通道内的二次流，在接近弯头位置处，横向速度分量会导致纵向涡对的强度被削弱，高Re工况下拥有更加剧烈的影响，极有可能削弱吸力面的换热强度。     

密集型气膜出流内部冷气侧换热特性实验研究

航空发动机涡轮叶片前缘大多采用密集型气膜冷却技术。针对这种复合冷却方式中密集型气膜出流的无冲击冷却内部换热特性进行了大量实验研究,得出了气膜出流与来流密流比、来流雷诺数以及出流开孔面积比对换热特性的影响,并在实验参数范围内整理出了换热准则关系式。其结果及准则关系式对叶片的结构设计具有直接的指导意义。      

稀疏型气膜出流内部冷气侧换热特性实验研究

目前航空发动机涡轮叶片的弦中区大多采用稀疏型(相对叶片前缘)气膜冷却技术。实验研究了这种复合冷却方式中带有冲击射流和没有冲击射流两种情况下的稀疏型气膜出流内部冷气侧换热特性,通过对大量的实验数据分析,得出了诸多流动及几何参数对叶片内表面换热特性的影响,并在实验参数范围内整理出了换热准则关系式。其分析结果及相应准则关系式对叶片的结构设计具有直接的指导意义。      

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。