航空发动机涡轮叶栅进口热斑试验技术

正航空发动机燃烧室出口流场存在着明显的温度不均匀,其局部的最高温度可达到最低温度的两倍左右,这种局部的高温气流被称为"热斑"(Hot Streak)。热斑进入涡轮叶栅后,冷热气流具有不同的迁移路径,会导致叶片表面出现局部高温区,增加叶身热应力,严重时还会出现叶片局部烧蚀。因此,深入研究涡轮叶栅进口热斑迁移特性及其主要影响因素,将有助于制定更为合理的涡轮叶片冷却方案,从而提高涡轮的     

热斑压力比对气冷涡轮叶栅表面热负荷的影响

为深化对涡轮进口热斑效应的认识,采用试验和数值方法研究了热斑压力比对涡轮叶栅表面热负荷的影响.试验采用引气管形成热斑,叶片材料为环氧树脂,叶型为C3X.采用数值方法计算了不同热斑压力比(0.980～1.020)和冷气流量比(1％～5％)条件下叶片表面的热负荷.研究表明,计算值与试验值吻合良好.热斑压力比小于1.000时...     

进口热斑对涡轮级影响的非定常数值模拟

通过求解二维N-S方程对涡轮级进口有温度畸变时的流场和温度场进行了非定常数值模拟。由于叶排间的相互运动,使叶片表面压力和叶栅通道内的流场呈周期性地变化;当涡轮进口有热斑时,热斑中的气流总温要高于周围气流温度,在通过涡轮级时,热斑中的高温气流会向转子压力面上迁移,导致转子压力面上产生热点。热斑的存在对涡轮级中的压力分布影响很小,但是严重影响温度场的分布。同时进口热斑相对导叶的位置对叶片表面温度的分布也有很大影响。      

涡轮级内湍流度影响的非定常数值模拟

通过求解二维雷诺平均Navier-Stokes方程，数值模拟了不同进口湍流度下的涡轮级中的非定常流场及温度场。结果表明，增大湍流度对叶栅通道内时均压力分布影响很小，但是对涡轮级中的温度分布会产生很大影响，当涡轮进口有热斑存在时，增大湍流度将会使热斑中的热流体温度扩散更快，从而叶栅通道中的温度场分布趋向均匀，同时动叶压力面侧与吸力面侧的时均温度差别减小，沿动叶统长方向上的温度分布也更平缓。     

进口不重合和轴对称造型对跨声速涡轮叶栅端壁传热特性的影响

为有效评估实际燃气涡轮叶栅进口端壁不重合和轴对称收敛端壁造型对叶栅端壁传热特性的影响,以某工业燃气涡轮第一级跨声速导向叶栅为研究对象,基于商用CFD软件ANSYS Fluent 15.0,研究了3种端壁结构:简化平板端壁、具有子午面轴对称收敛造型的实际涡轮叶栅外端壁(叶顶)和内端壁(叶根)在设计工况(进口湍流强度为16%,出口马赫数为0.85)下的流动和传热特性。计算分析了2种进口端壁不重合度(进口后向台阶高度为0、 6.78 mm)下,3种叶栅端壁结构的端壁热负荷分布、近端壁二次流结构和后台阶涡系发展。结果表明:轴对称收敛端壁造型和进口端壁不重合均会显著改变叶栅端壁二次流结构和热负荷分布规律;轴对称收敛端壁造型可在一定程度上减小端壁热负荷,尤其是叶片前缘肩部和喉部下游等易发生热腐蚀的冷却气膜难以覆盖区域;燃气涡轮实际运行中产生的进口端壁不重合导致叶栅前缘上游典型高传热区面积和强度(增大约140%)显著增大并向叶栅通道内迁移,使叶栅端壁承受着极高热负荷;实际燃气涡轮第一级导向叶栅端壁冷却方案设计必须充分考虑实际端壁造型结构和燃烧室-涡轮交界面端壁不重合对端壁热负荷分布的影响。      

低雷诺数下涡轮叶栅流动分离实验与数值模拟

应用实验测量和数值模拟相结合的方法,研究了低雷诺数条件下高负荷涡轮叶栅吸力面的流动分离。通过对叶片表面压力系数、叶栅出口尾迹以及叶片表面气流分离位置和重新附着位置的比较发现,计算结果与实验结果吻合得相当好。应用本计算方法,对低雷诺数条件下雷诺数和来流湍流度对涡轮叶栅的流场的影响作了准确的模拟,对叶栅吸力面的气流分离、再附等做出了预测。实验研究和计算结果都表明,低雷诺数条件下叶栅损失的急剧增大是由于在低雷诺数条件下叶片吸力面发生了气流的分离,雷诺数越低或者进口湍流度越低,叶片吸力面的气流分离就越严重,由此导致的叶栅损失也就越大。     

热斑对涡轮二级静叶热负荷影响的实验和数值研究

采用以氦气比拟热斑的实验方法和三维非定常数值计算研究了两级涡轮入口处的热斑对二级静叶通道的影响。结果发现,热斑对二级静叶通道内的热负荷分布具有明显影响:在径向的分布集中于50%叶高以下,在叶栅进口和出口附近,热量集中于下端壁,并随径向高度增加减少;在周向有明显不均匀性;端壁二次流对热斑分布有很大影响。     

低负荷弯叶栅流谱结构与气动性能的实验研究

在一套典型的低负荷矩形涡轮静叶栅中开展弯叶片影响叶栅内部流谱结构与气动性能的实验研究。利用微型5孔探针分别对6套叶栅的进出口流场进行详细测量,并在叶栅表面和端壁进行油流显示实验。从定性和定量的角度考察了叶片弯曲对壁面流谱拓扑结构、出口涡量、出气角及二次流损失分布的影响,总结了弯叶片影响边界层迁移与二次流损失发展的规律。     

侧壁附面层对涡轮平面叶栅试验结果的影响

用VKI- 1叶型组成的涡轮平面叶栅分别在德国哥廷根的EGG平面叶栅风洞和我所的超、跨声速平面叶栅风洞上进行了试验研究。录取了叶片表面压力分布、叶栅尾迹测量数据等。此外用皮托管测量了叶栅进口的总压分布及附面层厚度。作者阐述了侧壁附面层特别是附面层的位移厚度对涡轮平面叶栅流场的影响 ,并给出了相应的修正系数。这两个风洞的试验结果与其它欧洲叶栅风洞的试验结果作了比较。     

超跨声涡轮扇形叶栅试验流场周期性设计

在叶片数较少的超跨声涡轮扇形叶栅试验中,由于出口导流板角度、长度等因素造成的激波反射和堵塞作用,不能真实模拟发动机叶片工作时的出口条件,叶栅通道流场无周期性,试验结果无法反应叶片的真实工作状态。针对此类问题,对超跨声涡轮扇形叶栅试验进行了数值模拟分析,并提出了解决方案。通过对超跨声涡轮扇形叶栅试验件出口导流板进行优化,改善了超跨声涡轮扇形叶栅试验的流场周期性,进一步提高了超跨声涡轮扇形叶栅试验的准确性。     

[γ-Reθt]转捩模型在跨声速涡轮叶栅中的应用

为了解涡轮叶栅在跨声速条件下的流动特性和准确预测涡轮叶栅外换热情况,对γ-Reθt转捩模型,依据零压力梯度时自由流湍流度衰减实验结果,给出了一种直接估算来流粘性比的方法,以保证叶片前缘附近具有正确的自由流湍流度分布,提高换热预测准确度;同时减少试算次数。对MARK II与VKI两种叶栅通道跨声速工况下的流动换热情况使用CFX软件,选取层流模型、SST k-ω模型以及缺省粘性比和设定合理粘性比的γ-Reθt转捩模型进行了数值模拟验证,计算结果与实验数据的对比表明:转捩模型优于其他模型;而采用本文方法给定进口粘性比,能准确预测转捩位置,同时显著改善γ-Reθt转捩模型对不同来流湍流度下涡轮叶栅表面换热的预测精度;当入口湍流度较高,相比采用缺省粘性比情况,压力面上换热系数的相对误差降低30%以上,控制在7%左右。     

气膜冷却对涡轮叶片表面压力分布的影响

一、试验设备及试验件试验是在燃气涡轮研究所涡轮叶片综合冷却效果试验器上进行的。其试验设备详见文献[1 ]。试验段由七个叶片组成六通道的扇形叶栅。在试验段中 ,除中间一个为主试验叶片外 ,其余六个叶片均为陪衬叶片。在扇形叶栅试验段前、后和叶片冷气进口处 ,都装有总温、总压和静压测试受感部 ,用于监视和测量试验状态参数。鉴于试验器所能提供的参数 (压力、温度和流量 )均达不到发动机真实状态 ,故本试验是在保证叶片几何相似 ,流动相似、热相似和各试验状态折合流量相同的前提下进行的。为了便于各状态试验结果分析比较 ,始终保持…     

涡轮叶栅端壁表面换热系数的测量

在大尺寸低速开式叶栅传热风洞中对一种高压涡轮导向叶片构成的直叶栅通道端壁表面的换热特性进行了试验研究。在雷诺数为 750 0 0～ 30 0 0 0 0的范围内,采用热膜法测量了端壁换热系数的分布,研究了Re数对叶栅端壁换热的影响规律;同时给出了端壁平均 St数与来流 Re数之间的准则关系式     

PIV技术在涡轮叶栅内流场试验中的应用

对三种高环流系数叶片叶型和五种相对节距的涡轮叶栅进行内流场试验研究，在研究中采用粒子成像测试技术(PIV)，获得叶栅内S1m流面的全流场流动信息，并采用拓扑图论原理经计算机进行图像处理，获得S1m流面的速度矢量场和旋度场。对所获得的叶栅内流场分析表明，随着涡轮环流系数的增加，液体流经叶栅的能量损失增大；随着叶栅相对节距的增大，叶栅内脱流区增大、漩涡区的旋度值随之增大。该研究结果将给涡轮叶型的设计提供有价值的参考。     

基于抽吸的亚声速平面叶栅风洞流场品质控制研究

提升平面叶栅风洞流场品质对于获取高质量、低不确定性的试验结果尤为重要。基于对原始叶栅风洞的测量结果,本文采用数值模拟方法进一步分析了来流攻角对叶栅流场品质的影响机理,并在试验段上侧壁不同位置处设置了两种抽吸方案,研究了抽吸槽位置以及抽吸流量对平面叶栅风洞流场品质的控制效果。研究结果表明：叶栅风洞固有结构对流场品质的影响随来流攻角的增大而增大,使叶栅进口的准确性和均匀性以及出口的周期性下降,可用测量范围缩小;抽吸能够减弱靠近上侧壁的三个通道的堵塞程度,从而扩宽进口均匀性及出口周期性的范围,使进口马赫数偏差小于0.01,进气角偏差小于0.5°;在可移动上侧壁和叶栅首叶片之间进行抽吸对叶栅进口均匀性提升较大,但对出口周期性提升很小;在叶栅首叶片吸力面中后部进行抽吸能够同时提升进口均匀性和出口周期性;在可移动上侧壁和叶栅首叶片之间开抽吸槽比在叶栅首叶片吸力面开设抽吸槽具有更好的工程应用性,但临界抽吸流量增加了两倍。     

不同条件下平面叶栅风洞流场品质的实验研究

为了全面认识亚声速平面叶栅风洞的流场品质及其影响因素,以西工大高亚声速平面叶栅风洞为研究对象,实验测量并分析了空风洞的来流品质以及安装叶栅实验件后来流马赫数、来流攻角、叶片数对叶栅流场准确性、均匀性以及周期性的影响。研究结果表明：空风洞内主流区域宽广且基本均匀,马赫数偏差不超过0.005,气流角偏差不超过；加装叶栅实验件后的周向流场分布表现出不对称,靠近可移动上侧壁的三个通道的来流均匀性和准确性普遍较差,叶栅中间和偏向可移动下侧壁的通道来流均匀性和准确性较好；来流攻角对叶栅进口流场品质的影响比马赫数更大,在负攻角和较小的正攻角下,叶栅进口流场品质较好；在较大的正攻角下,叶栅来流均匀性和准确性明显下降；叶栅进口流场品质直接影响着叶栅通道内以及出口流场的周期性。     

航空发动机涡轮叶片涂层热电偶测温技术

针对航空发动机涡轮叶片测温难题,设计了一种与叶片一体化集成的涂层热电偶温度传感器。利用热喷涂技术进行温度传感器的原位制造与微加工,并对样品进行了静态标定试验、高温高速燃气冲击试验、高速旋转轮盘试验等系列性能考核,通过理论模型的建立,讨论了涂层对测温结果的影响规律。试验及仿真计算结果表明:涂层热电偶传感器测量精度达到Ⅰ级标准热电偶允差等级,并能在高温、高转速、复杂的气动激振力及大离心载荷下可靠稳定工作。该技术可实现航空发动机涡轮叶片表面温度实时监测与精确测量,为叶片设计定型及改进提供了1种新的技术手段。     

进口气流角对三维振荡涡轮叶片非定常流动影响的数值模拟研究

进一步发展了非定常雷诺平均N—S方程求解程序,并基于影响系数法,在三种不同振型下就进口气流角对三维涡轮振荡叶片绕流的影响进行了数值模拟研究。数值模拟结果表明,所发展的程序对振荡叶栅流动模拟具有较好的精度;进口气流角对振荡叶栅内部非定常流动以及叶片表面的非定常气动力有着较为重要的影响,且在不同模态下,进口气流角对振荡叶片非定常流动的影响规律表现不同。     

低压涡轮导向叶片平面叶栅试验及数值模拟

基于低压涡轮导向叶片平面叶栅设计性能的研究,进行了平面叶栅试验,并采用商用CFD软件NUMECA建立了平面叶栅3维计算模型,得到了各性能参数随出口等熵马赫数的变化曲线、叶片表面等熵马赫数分布曲线、以及S1流面等熵马赫数分布。计算与试验结果表明:数值模拟结果与试验结果吻合较好;本叶栅具有后加载特性,亚声速段的损失较小;在设计工况时流动状态较好,流道中没有出现超声速区和激波现象。     

涡轮叶栅流动和传热耦合计算

通过求解三维雷诺平均N-S(Navier-Stokes)方程和带转捩模型的二方程SST(Shear stresstransport)湍流模型,完成了带简单冷却的MARKⅡ涡轮导向叶栅流动和传热耦合计算.计算结果与试验数据的对比表明,发展的带转捩模型的数值方法明显地提高了叶栅温度和外换热系数的计算精度.同时研究发现,湍流模型对叶栅表面压力分布影响很小,而对叶栅表面温度和外换热系数影响很大;在其它边界条件相同的情况下进口湍流度对壁面压力几乎无影响,但对叶栅温度和外换热系数影响较大.