双层涡轮叶片异形冷却单元内换热特性实验研究

基于实际加工成型的双层涡轮导向器叶片内部特征，模化出操场形和椭圆形截面冷却结构。针对其内部应用的冲击/气膜复合冷却形式，实验研究了冲击靶面的换热特性，重点分析了通道截面形状不同时，进口Re数、气膜出流以及冲击孔和气膜孔的相对位置对冲击靶面换热特性的影响。研究中发现通道内部局部Nu数呈中心对称的波浪形分布，并且气膜孔壁面上游的换热效果整体低于下游，只有在靠近气膜孔中心局部区域的换热系数较高。随着进气Re数增加，换热效果逐步增强 。实验数据表明，截面形状不同的冷却通道的换热特性规律不同。对于操场跑道形冷却通道，冲击孔和气膜孔顺排时冷却效果较好；而椭圆形冷却通道中，冲击孔和气膜孔错排时冷却效果较好。     

主次流静压差对离散孔气膜冷却效率的影响

本文对6种不同开口规律的离散孔平板进行了实验研究,分析了6个试件的冷却效率的轴向及周向分布以及主次流间的静压差等来流气动参数对冷却效率的影响,得出了在孔板的起始段,冷却效果较差,主次流间的静压差的变化对冷却效率的影响不明显;随着沿程的进行,开孔率越高、主次流间的静压差越大,冷却效果越好;气膜发展比较充分时,冷却效率沿周向的变化可以忽略不计;开孔率一定时,采用较小的孔径对于改善离散孔板的冷却性能是较为有利的等一些有实用价值的结论。     

出口马赫数0.81~1.01下涡轮导向叶片全气膜冷却特性研究

通过瞬态热电偶测量方法研究了涡轮导叶叶片全气膜换热系数和气膜冷却效率。试验叶片共有13排气膜孔,气膜孔排由前后2个腔供气,前腔二次流与主流流量比为5.06%,后腔为1.14%。为匹配真实发动机工作条件,叶栅进口雷诺数试验范围为1.7×105~5.7×105,出口马赫数范围为0.81~1.01。试验获取了叶片表面压力系数和换热系数分布规律,并研究了叶栅进口雷诺数和出口马赫数对叶片全气膜冷效分布的影响。结果表明:气膜孔下游的换热系数和气膜冷效较高;主流雷诺数的增加对冷却效率的提升有积极作用,特别是在叶片吸力面,而马赫数对叶片表面气膜冷效影响甚微。     

涡轮叶片内"冲击-气膜出流"局部换热特性数值模拟

用RSM模型对有、无冲击气膜出流冷气侧气膜孔局部换热特性进行了数值研究。取气膜孔前后3倍气膜孔径范围为研究对象。在无冲击射流时,通过改变来流雷诺数、气膜出流与横流密流比,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两者的增加而增强。将实验结果和计算结果进行了比较,趋势吻合。在有冲击射流时,着重研究了流动和几何参数对气膜孔局部换热特性的影响,分析了“冲击-气膜出流”局部换热特性规律。     

带偏转角气膜出流发散壁冷却特性的数值分析

运用数值计算方法对带偏转角气膜出流发散孔壁的冷却特性进行了研究,分析了气膜孔偏转角对气膜冷却效率和流量系数的影响。研究结果表明,带偏转角气膜孔喷出的气膜出流具有侧向涡旋特征,增强了气膜射流的横向能力,对于改善发散壁前端的冷却效率具有一定的作用,在高吹风比下更为显著;随着偏转角的增加,发散壁前端气膜孔的流量系数则呈降低趋势。     

平行进气孔气膜冷却对流换热系数的实验研究(英文)

设计了单排,双排和三排分布形式和不同孔径的离散气膜孔结构,采用实验的方法分别对其对流换热特性进行了研究。研究结果表明,对流换热系数随着吹风比的增大而增大。在小吹风比时,沿冷却壁面的对流换热系数变化分为3个区段,在较大的吹风比或者孔径较大时,离散孔气膜冷却对流换热系数的分布规律与气流横掠平壁的对流换热规律基本相似。此外,在气膜孔当量直径一定的情况下,气膜孔的排列形式和吹风比均对对流换热系数有显著的影响。     

带横流非均匀冲击/气膜复合冷却特性试验研究

针对多层涡轮机匣内部典型阵列冲击/气膜,试验研究了横流出流和气膜出流作用对冲击冷却靶面换热系数的综合作用。重点分析了非均匀阵列冲击射流中,冲击雷诺数(6 750~28 500)、横流出流比(0~0.5)等参数对冲击靶板局部和平均努赛尔数的影响。试验中局部和平均努赛尔数均随着冲击雷诺数的增加而提高。当横流出流比增加后,局部和平均努赛尔数均减小。试验结果表明,气膜孔和冲击孔间距较小的工况下能够获得更好的局部换热强化效果。横流出流的存在,削弱冲击射流带来的局部强化冷却作用,并且随着出流比的增大,这种换热削弱程度也逐步变大。     

涡轮叶片尾缘斜劈缝气膜冷却数值模拟

采用数值模拟的方法,研究了涡轮叶片尾缘斜劈缝气膜冷却的流场特性,及其对叶背面尾缘温度分布的影响。研究了冷流喷射角为0°时,叶盆尾缘厚度H、叶盆尾缘倾斜角θ、冷气通道宽度d以及吹风比等因素对斜劈缝气膜冷却的影响。研究表明:尾缘劈缝冷气流出后呈先抬起后再附的流动特征,对应叶背面温度呈先升高后降低的分布特点,其最高温度出现在冷气出口下游约5H处;在冷气流量一定的情况下,叶盆尾缘的厚度和尾缘劈缝宽度对斜劈缝气膜冷却效果有着较大的影响,叶盆尾缘厚度越薄、冷气通道宽度d越小,气膜冷却效果越好;吹风比越大,气膜冷却效果越好;叶盆尾缘倾斜角θ对气膜冷却效果的影响很小。     

航空用不锈钢磨粒流光整加工表面完整性研究

为研究磨粒流光整加工不锈钢闭式整体叶环的表面完整性，通过对电火花制备的不锈钢试样进行加工时间、加工压强及磨料目数的单因素试验，研究3个因素对加工后表面完整性的影响。结果表明：表面粗糙度Ra随着加工时间的增加而降低，从初始时的1.459μm降至60 min时的0.193μm，降低速率越来越慢，最后趋于稳定。磨粒流加工有效去除了加工表面再铸层。显微硬度在加工后明显降低，由450～950 HV降至270～350 HV且分布均匀性得到改善。显微硬度随着加工时间的增加整体上呈降低趋势，并出现了一定的加工硬化现象。在使用不同目数的磨料进行磨粒流加工后，残余应力由拉应力变为压应力。随着加工时间和加工压强的增加，试样表面越平整，抛光效果越好。     

单排圆柱孔射流气膜加热与气膜冷却方式的对比

为了揭示气膜加热和气膜冷却两种方式在影响规律机制上的异同,通过数值计算研究了两种方式单排圆柱孔在典型吹风比下(0.5,1.0和1.5)的射流-主流相干特征,并分析了热气流-冷气流温度比变化对气膜绝热加热或冷却效率的影响。研究结果表明:在相同的吹风比下,在气膜加热方式下喷注射流向主流的穿透趋向更为显著,引起喷注射流抬离壁面并在气膜孔出口附近诱导出尺度更大的卵形涡对;当温度比接近于1时,气膜绝热加热效率与气膜绝热冷却效率差异较小,随着温度比偏离1的程度加剧,气膜绝热加热效率与气膜绝热冷却效率差异显著增大。     

低温磨料气射流加工PDMS实验研究

通过自研的低温磨料气射流加工装置进行低温磨料气射流加工聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane,PDMS)实验研究,分析了加工时间、加工距离、冲蚀角度和磨料粒径对冲蚀率、孔深和孔横截面形貌的影响。结果表明:随着加工时间的增加,冲蚀率先增大后减小,在第1阶段加工过程中,孔深与加工时间大致呈线性关系,增加加工时间还可使孔底部变平整;存在一个最佳加工距离使孔深最大,当加工距离大于最大加工距离时,孔深将随着加工距离的增加而急剧下降,孔的锥度随着加工距离的增大而增大;当冲蚀角度处于30°～60°之间时,冲蚀率最大,随着冲蚀角度的增加,孔的形状逐步由椭圆形变成圆形;存在一个最佳磨料粒径,使冲蚀率和孔深达到最大;当冲蚀角度小于90°时,低温磨料气射流加工PDMS材料去除机理为塑性去除和脆性去除的结合。     

渐扩后倾肩臂孔平板气膜冷却特性实验研究

提出一种新型气膜冷却孔型——渐扩后倾肩臂孔，运用压力敏感漆（PSP）实验技术，研究其与圆孔、肩臂孔的气膜冷却性能差异，并采用N₂和CO₂气体作为冷却气，对比分析了密度比1.0和1.5情况下吹风比（Br=0.5~2.0）对渐扩后倾肩臂孔平板气膜冷却性能的影响。结果表明:在相同密度比、吹风比条件下，渐扩后倾肩臂孔方案冷却效率优于圆孔和肩臂孔（肩臂孔略高于圆孔）。在密度比为1.0的情况下，当测量点离孔的距离与孔入口直径的比值x/D < 15时，渐扩后倾肩臂孔方案的展向平均气膜冷却效率随着吹风比的增大呈递减趋势；当x/D>15时，冷却效率在Br=1.0时最大。在密度比为1.5的情况下，渐扩后倾肩臂孔方案的展向平均气膜冷却效率随着吹风比的增大呈先增大后减小的趋势，在Br=1.0时冷却效率最大。分析认为:不同密度比情况下，吹风比对渐扩后倾肩臂孔冷却性能的影响差异，主要是由于密度比较小时，冷却气出口速度更大，使冷却气更易吹离冷却壁面。     

内冷通道横流对气膜冷却效率的影响

在吹风比(Br)为0.5~2.0、横流比(Cr)为0~3.0范围内,采用数值模拟方法研究了内部冷却通道横流对单排圆柱形气膜孔气膜冷却特性的影响。相比于基准的无横流进气方式,横流进气诱导冷却气流在气膜孔内形成旋流流动,使得气膜射流与主流的相互作用更为复杂。横流比的影响在不同的吹风比下有较大差异:在较小的吹风比下,横流比小于1.0的气膜绝热冷却效率略高于无横向进气的基准情形,而横流比大于2.0的气膜绝热冷却效率相对基准情形有一定幅度的下降;在较高的吹风比下,横流进气带来气膜绝热冷却效率的增强,横流比为2.0的气膜绝热冷却效率相对较高。在大横流比下,随着吹风比的增加,气膜在展向的覆盖范围明显扩大。     

气膜-发散冷却结构冷却效果的实验研究

为了研究气膜-发散组合冷却结构的冷却特征,设计了5种组合冷却结构形式,采用实验的方法对气动参数和几何参数对冷却效率的影响规律开展了研究,结果表明:(1)由于气膜的存在使得发散冷却的起始段冷却效率有很大的提高,极大提高了发散冷却结构的整体冷却效率;(2)随着发散孔纵向间距的增大,发散段整体冷却效率逐渐降低,但对发散冷却起始段的影响不大;(3)发散孔复合角对冷却效率对冷却效率的影响随吹风比的变化而变化,在小吹风比时,45°复合角的冷却效率最高;在吹风比较大时,在发散冷却段的中后部,0°复合角的冷却效率最高。     

带气膜冷却结构的高超声速平板不同前缘形状下表面传热特性研究

当带红外成像制导系统的飞行器在稠密大气层内做高超声速飞行时,必须采取主动冷却方式防止严重气动加热造成的窗口材料热畸变以及复杂流场造成的气动光学畸变。本文根据成像窗口周围流动具有受高超声速钝头体绕流和气膜冷却结构(即背面为空腔的超声速后台阶)共同作用的特点,在 KD-01高超声速炮风洞中开展了带气膜冷却结构的高超声速平板在不同前缘形状下表面传热特性的试验研究,测量了 Ma8来流条件下喷缝下游表面传热系数,试验获得了2种前缘形状的带气膜冷却结构的高超声速平板喷缝周围瞬态流场 NPLS 图像。通过分析试验数据,得出以下结论:对于带气膜冷却结构(气膜不工作状态)的高超声速平板,模型前缘的形状对喷缝下游区域的表面热流整体分布有明显影响,在钝前缘情形下,表面热流分布接近相同前缘形状的平板边界层为层流状态时的表面热流分布;在尖前缘情形下,表面热流分布则表现出从层流边界层状态向充分发展湍流边界层状态变化的特性;喷缝下游分离和再附区表面传热特性和超声速后台阶流动类似,取决于喷缝上缘处边界层相对厚度。     

突片形状对气膜冷却效率的影响

气膜冷却广泛应用于航空发动机热端部件的热防护，为了提高气膜冷却效果，设计了3种突片型式，采用实验的方法对其冷却效果进行了对比研究，结果表明：突片的存在强化了气膜冷却效率，使得气膜冷却效率远高于无突片的气膜冷却效率。吹风比对不同突片作用有所不同，存在一最佳吹风比，但该值随着突片的型式变化。突片的堵塞比对气膜冷却效率有很大的影响，3种突片作用下的气膜冷却效率均随堵塞比的增加而增大。梯形突片的冷却效率明显优于三角形突片和椭圆突片。但突片亦增大了气膜孔的流动阻力，降低了流量系数。     

大切深数控电解铣削加工阴极设计及试验研究

难加工材料整体叶轮广泛应用于航空领域,采用传统切削加工存在刀具磨损快、加工效率低等问题。本文针对某型号复杂整体叶轮,提出大切深五轴数控电解铣削预加工方法。通过设计锥形螺旋刃阴极,分析不同旋转角下单、双螺旋刃出口流场分布,得到旋转角720°的单螺旋刃阴极出口压力和流速分布均匀。同时开展大切深数控电解铣削加工试验,结果表明:在选取的工艺参数范围内,加工平衡间隙和进给速度随着加工电压升高而增大;较低的电解液温度有利于实现小间隙加工,可显著提高加工精度;主轴转速达到1 500 r/min后对加工速度影响较小。得到大切深数控电解铣削整体叶轮加工叶片,一次最大切深可达65 mm,余量误差控制在0.5 mm范围之内,提高了整体叶轮加工效率。     

绝缘层厚度对孔电解加工稳定性和精度的影响

通过对孔电解加工中加工间隙的电场和流场仿真,研究了电极绝缘层的涂覆尺寸特征对小孔加工性能的影响.进行了管电极电解小孔的试验,得到了理想的绝缘层厚度参数.试验和仿真均表明, 增大绝缘层厚度可以减小孔的侧面腐蚀面,并使孔圆度有所增加,同时提高了加工过程的稳定性,但过大的涂覆厚度易出现打火甚至加工短路.