涡轮叶栅超声速流场流动特征与气膜冷却特性

应用shear strain transport(SST) k-ω 两方程湍流模型,对超声速涡轮叶栅通道内气膜冷却特性进行数值研究,得到不同气膜孔倾角和吹风比下叶栅通道内流场流动特征以及气膜冷却效率的变化规律.在激波入射点附近的气膜射流能够向分离区边界层中补充动量,克服逆压力梯度,有效改善由于激波引起的局部过热.亚声速流动状态下的气膜入射角度对冷却效率的影响能够在较大吹风比下得以体现,而超声速主流状态下,气膜冷却效率与入射角度基本无关,说明亚声速的气膜冷却射流对超声速主流的穿透力要弱于对亚声速主流的穿透力;超声速主流条件下,在激波入射位置的气膜冷却效率要高于激波入射位置下游的气膜冷却效率,这与气膜孔出流在当地的湍流度有关.      

内冷通道横流条件下气膜冷却特性

为了研究内冷通道横流条件下气膜冷却的流动和换热特性,采用窄带瞬态液晶测量技术获得了内冷通道横流条件下吹风比分别为0.5,1,2时气膜孔下游冷却效率和表面传热系数云图,并通过数值模拟得到了气膜孔内及下游区域流场的详细信息.结果表明:内冷通道横流对气膜孔下游冷却效率和表面传热系数分布有重要的影响.横流增强了气膜孔射流的展向分布能力,增强了高吹风比时气膜冷却效果.另外,气膜孔下游涡的分布出现明显的不对称性,涡的结构更加复杂.      

弯曲多孔壁不同倾斜角气膜孔整体气膜冷却效率研究

对弯曲多孔壁气膜冷却整体冷却效率进行了深入研究.弯曲多孔壁由等曲率凹壁面多孔壁实验板来模拟, 实验研究了相同排列方式下2种不同小孔倾角方案整体气膜冷却效率, 分析了弯曲通道曲率对冷却效率的影响, 得到了沿流程的展向平均冷却效率及x/d=21.8和x/d=65.3处展向冷却效率分布.研究结果表明, 吹风比是影响凹壁面小孔气膜冷却效率的关键因素;随着吹风比的增大, 2种孔倾角冷却效率的差异变小;主流通道中气体的流动规律对冷却效率有较大影响.      

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.      

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.      

超声速与亚声速气膜流动和冷却特性数值研究

以平行入射缝槽气膜冷却为研究对象,开展了主、次流分别为亚声速和超声速流动状态下的气膜冷却数值模拟。计算结果表明：对于主流为超声速、次流为亚声速的气膜冷却,主流热量和动量很快就输运到亚声速次流中,气膜核心区很快被破坏,气膜冷却效率不高;在主流为超声速流动的情况下,施加相同吹风比的超声速冷却次流可将其核心向下游更远的地方输运,与常规的亚声速气膜冷却结构类似。为了获得较高的气膜冷却效率,在主流为超声速流动的情况下,建议施加超声速次流进行气膜冷却。     

扩展型面排孔气膜冷却的实验

设计了三种型面的气膜孔扩展结构,研究了气膜冷却效率、壁面换热系数及流量系数随吹风比的变化规律.研究结果表明,与典型的圆柱形气膜孔相比,有后向扩展型面的气膜孔具有相对较高的冷却效率和换热系数,流量系数略有降低.扩展型面的流向扩展角对冷却效率和换热系数的影响大于侧向扩展角的影响.侧向扩展角只在特定吹风比下才对提高气膜的侧向覆盖率、进而提高气膜冷却效率起作用,它使得位于二次流出流下游的低压区域范围增大,流量系数减小.      

圆直管中离散孔超声速气膜冷却实验

以圆直管中的超声速高温燃气为主流,以常温氮气为气膜介质,用实验的方法研究了离散孔超声速气膜冷却规律,主流马赫数为2,射流马赫数分别为1,2,3.结果表明:射流流量是影响离散孔气膜冷却效果的最主要因素,提高吹风比或者增大孔径,都能显著提高气膜冷却效率;在实验工况下,冷却效率与吹风比和孔径的关系可以总结成实验关联式;射流喉部直径相同、流量相同情况下,射流马赫数对气膜冷却效果影响不大;在气膜孔附近,入射角为30°的射流比切向入射时的冷却效果差,在下流远离气膜孔位置,入射角为30°的射流冷却效果优于切向入射时.      

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.      

利用小孔射流改善气膜冷却效率的数值研究

为了获得气膜孔下游放置一对射流小孔对气膜冷却效率的影响规律,采用数值模拟方法研究了不同吹风比下射流小孔出口位置尺寸不同时流动过程和冷却效率的分布情况,并与常规气膜孔冷却结构形式进行对比,以揭示小孔射流改善气膜冷却效率的作用机理.研究表明:在常规气膜孔下游开两个射流小孔后,两射流小孔分别产生一个较弱的与气膜孔反向涡对方向相反的反向涡对,反向涡对的相互作用减弱了气膜孔反向涡对的强度,使气膜的贴壁效果更好,提高了气膜孔的冷却效率.在各吹风比条件下,气膜孔下游有射流小孔时,冷却效率都有一定的提高,并且射流小孔间距较大时对两气膜孔中心线之间的横向平均冷却效率改善较大,吹风比较大时,效果更明显.      

轴向收敛造型对燃气涡轮叶栅端壁气膜冷却性能的影响

为有效评估轴向收敛造型对端壁气膜冷却性能的影响,数值研究了不同吹风比下,轴向收敛造型对跨声速燃气涡轮叶栅端壁上游双排离散孔绝热气膜冷却效率的影响。模拟某工业燃气涡轮真实运行工况（进口湍流度为16%、出口马赫数为0.85、出口雷诺数为1.5×106）,采用基于“两类热边界条件”模型的壁面传热系数和绝热冷却效率数值预测方法,比较分析了3种吹风比（1.0、2.5、3.5）下,简化平板端壁结构和轴向收敛造型端壁结构的端壁热负荷分布、绝热气膜冷却效率分布和近端壁二次流场结构,以及端壁上游气膜孔射流对叶片表面的二次冷却作用（幻影冷却）。结果表明:轴向收敛造型可以削弱马蹄涡强度,降低端壁热负荷,尤其是叶片肩部区域;轴向收敛造型可以显著增加端壁气膜覆盖范围和绝热气膜冷却效率,尤其在叶片前缘和压力面等难以冷却区域;随吹风比增加,轴向收敛造型对端壁气膜冷却特性的影响效果先增加后减小,在设计吹风比为2.5时,轴向收敛造型对端壁绝热气膜冷却效率的增强效果最显著（增加约35%）;轴向收敛造型显著增加叶片前缘和压力面幻影冷却面积,尤其是叶片前缘附近面积增加约100%（设计吹风比下,冷却区域达0.1倍叶高）,可有效减小叶片冷却的冷气需求流量。轴对称收敛端壁造型是进一步提高燃气涡轮叶栅端壁绝热气膜冷却效率、减小冷气流量,实现端壁高效冷却布局的有效技术途径。      

孔内“喷射现象”影响气膜冷却流动传热机理

为了揭示气膜孔内不同“喷射现象”对气膜冷却流动传热的影响,在相同射流角基础上选取7种不同进气角的冷气腔以改变气膜孔内的“射流效应”,并对7种冷气腔在不同吹风比条件下进行了对比研究。结果表明:当进气角不为0°时,不同进气角会在气膜孔内产生不同的“喷射现象”。低吹风比时不同进气角的气膜冷却效率相差不大。随着吹风比的增加,不同进气角时的冷却效率存在很大差别。在吹风比为1.5,进气角不大于0°时冷气在孔外形成了强肾形涡;而当进气角大于0°时冷气在与高温主流相互作用后,上游低动量区的冷气会绕开下游高动量区冷气后贴附壁面,增大涡对之间的距离从而减弱相互增强的效应。相对于原始冷气腔,在吹风比为1.5,进气角为15°和30°时的平均气膜效率分别提高了约130%和70%。      

气膜孔内局部堵塞对气膜冷却特性的影响

在吹风比为0.3~1.5,堵塞比为0.1~0.5范围内,对平板上单排倾斜气膜孔内局部堵塞所引起的冷气射流流动和冷却特性变化进行了数值研究,分析了堵塞比、堵塞位置和吹风比对绝热气膜冷却效率的影响.在研究参数范围内的研究结果表明:气膜孔出口端前缘的局部堵塞有利于抑制肾形涡,对气膜孔下游的绝热气膜冷却效率有改善作用,并且随着堵塞比和吹风比的增加,对冷却效果的改善越为明显.而在气膜孔出口端尾缘或侧边的堵塞则在较大的堵塞比下削弱气膜冷却效果.相对于气膜孔出气端的局部堵塞,在气膜孔进气端和中部的堵塞对绝热气膜冷却效率的影响要微弱得多.     

全覆盖气膜孔阵列方式对冷却特性的影响

运用标准k-ε湍流模型对不同吹风比下正菱形、长菱形和超长菱形三种气膜孔阵列方式的多孔全覆盖气膜冷却的气膜出流流场特性、气膜绝热冷却效率和气膜综合冷却效率进行了数值模拟对比研究.结果表明:气膜孔阵列超长菱形排布是较优的排布方案,在该排布方式下,气膜出流向主流的穿透相对较弱,气膜沿展向的覆盖率也较高,因而气膜绝热冷却效率相对最高;气膜孔排布方式对气膜综合冷却效率的影响规律与气膜绝热冷却效率的基本一致,超长菱形排布仍然是较优的排布方案.      

致密孔阵气膜冷却绝热温比和对流换热系数的数值研究

采用数值模拟方法研究了气膜孔叉排方式下孔间距和吹风比对致密孔阵气膜冷却绝热温比和对流换热系数的影响.结果表明:减小相邻孔间距与孔径比或增加吹风比,平均壁面温度就越低,且温度分布更为均匀,绝热温比提高,热侧壁面平均换热系数也随之增大;相对于增加气膜孔阵的密集程度而言,吹风比的增加所带来的绝热温比改善和对流换热系数增加幅度略有减弱.特别是当吹风比大于1以后,吹风比的影响程度比较微弱.      

冲击加多斜孔双层壁冷却方式气膜绝热温比研究

采用传热传质类比方法,对冲击加多斜孔双层壁冷却方式气膜绝热温比进行了实验研究。主要考虑了双层壁夹缝高度、冲击壁、吹风比、孔排列方式、以及孔间距对局部绝热温比的影响。并且给出了根据 5种几何结构实验板的展向平均绝热温比沿流向的分布运用最小二乘法拟合公式。研究结果表明:对某一确定几何结构的多斜孔实验板,加冲击壁与否以及双层壁间夹缝高度的变化对相同吹风比下的绝热温比影响甚小,局部绝热温比的分布主要取决于吹风比和孔阵排列方式。从绝热温比考虑,叉排长菱形排布比较理想。      

利用上游沙丘形斜坡增强气膜冷却

在平板上开设单排气膜孔,并通过红外测温法,实验研究了四个典型吹风比(0.5、1.0、1.5和2.0)下圆柱形气膜孔(CH)安置上游沙丘形斜坡(SDR)的绝热气膜冷却效率,并与平直楔形斜坡(SWR)进行了对比,同时结合数值模拟对不同形状的上游斜坡作用机制进行了剖析。研究结果表明：相比SWR,SDR可以诱导出特有的反肾形涡对,因而其在强化气膜冷却方面更具优势。在小吹风比下(吹风比为0.5),SWR和SDR可以分别提高特定区域(孔下游15倍孔径范围内)的面积平均气膜冷却效率达26%和75%左右,在高吹风比下(吹风比为1.5),两者的相对提高幅度分别高达100%和150%左右。     

小孔辅助射流提高气膜冷却效率的机理分析

采用数值计算手段,模拟普通的圆柱形单孔结构和小孔辅助射流结构在不同吹风比下的流动和换热,侧重通过直观演示气膜孔下游反向对旋涡对(肾形涡)的生成、发展以及相互作用过程,揭示小孔辅助射流改善气膜冷却效果的机理.结果表明:与单孔结构相比,小孔辅助射流结构,由于小孔射流的干涉作用,主孔射流形成的肾形涡的尺度和强度均有较大程度的减小,冷气射流与主流的掺混减弱,对冷气的向上抬升作用减小,避免了冷气穿透主流脱离壁面,大大提高冷却效率.随着吹风比的增加,与圆柱形单孔相比,气膜冷却效果改善更加明显.      

旋转状态下孔排构型气膜冷却特性实验研究

 通过对旋转状态下带有孔排构型平板叶片模型表面的气膜冷却换热特性进行实验研究,得到了不同吹风比、旋转数、主流雷诺数和密度比情况下气膜孔下游流向位置上绝热效率的变化规律,同时提出了一个新的用于评价气膜冷却效果优劣的无量纲参数——有效覆盖率(EAR)。实验采用空气和二氧化碳作为冷却工质,利用热色液晶测温（TLC）技术对测试表面的二维温度场进行测量,并通过旋转拍照系统对液晶图片进行即时采集。研究结果表明,吹风比对旋转状态下二次流的流动形态起着决定性作用。随着吹风比的增大,二次流经历了附壁流动、分离流动和分离再附壁流动3种形态。当旋转数增大时,吸力面和压力面上的绝热效率呈现先上升后下降趋势,且压力面上整体绝热效率要高于吸力面对应值。主流雷诺数的增大导致壁面绝热效率出现降低趋势,但整体冷却效果变化不大;冷气对主流密度比的增大则有助于壁面冷却效果的改善。此外,EAR可以对不同工况下的壁面气膜冷却效果进行量化比较和评判,因而极具工程推广价值。     

叶片前缘圆柱形孔和扩张形孔气膜冷却特性研究

采用考虑曲率影响的瞬态液晶测量技术测量了叶片前缘扩张形孔和圆柱形孔的气膜冷却特性,分析了不同孔形在不同平均吹风比下气膜冷却效率的局部分布特征及定量变化关系,结果表明:①与圆柱形孔相比,扩张形孔射流的覆盖面更大,主要覆盖区域的偏移角度更小;②圆柱形孔的平均冷却效率在不同测量区域内均随平均吹风比的增加先升高后下降,扩张形孔的平均冷却效率在孔排间区域随平均吹风比的增加单调升高,在第二排孔后区域各平均吹风比下基本一致;③在实验范围内,扩张形孔的展向平均冷却效率较高.