“高温涡轮叶片液冷机理研究”通过技术鉴定

部研究院于10月28日主持召开了由航空基金资助的“高温涡轮叶片液冷机理研究”的技术鉴定。二系刘德彰等老师经过三年时间的研究,在管内沸腾汽液两相流动流场与换热机理方面取得了突破性的进展,得出以水为冷却介质在管内沸腾形成汽液两相流动时,在环状流区的换热系数比单相液流区可提高两个数量级;以煤油为冷却介质时,环状流区的换热系     

涡轮叶片表面温度场及综合冷却效果试验研究

涡轮叶片温度场分布受到气膜孔排布方式和内冷通道的影响,涡轮叶片结构不同导致传热特性不同。为了更准确获得有气膜冷却条件下涡轮叶片综合传热特性,设计试验方法在叶片中截面采用埋入式热电偶测温,通过热电偶测温与红外测温结合获取更准确的温度场,展开试验研究获得了流量比、温比和落压比对叶片综合冷却效率的影响规律。     

装有多孔介质的封闭腔体中热驱动换热的数值研究

以涡轮叶片超级冷却技术为研究背景,用数值计算的方法,模拟了离心力场下装有多孔介质的封闭腔体中的热驱动换热现象。计算结果表明,在封闭腔体中加入大孔隙率多孔介质后确实能起到强化换热的效果,采用的固体介质的导热性越好,封闭腔体中流体的热驱动能力越强,换热效果越好。而且采用导热性比较好的固体介质时,在大孔隙率范围内,随着孔隙率的减少,封闭腔体中流体的热驱动能力和换热均得到增强。     

航空发动机涡轮叶片冷却气膜孔加工去除重熔层技术

为提高叶片工作时的冷却效果,叶片的气膜孔设计的越来越复杂,涡轮叶片的冷却气膜孔加工作为一项重要的技术至为关键。现有的条件下对气膜孔的加工进一步研究,基于挤压磨粒流加工理论,采用挤压磨粒流加工工艺试验方法,对叶片冷却气膜孔做控制磨粒流孔径增加量从而去除重熔层的实验。当磨粒流孔径伽．3增加量为0．04时,孔径蜘．5增加量为0．02时,就可消除重熔层的结果,说明了通过磨粒流去除重熔层和微裂纹具有非常满意的去除效果。     

航空发动机和燃气轮机热端部件热腐蚀-疲劳研究进展

航空发动机和燃气轮机在海洋环境下服役时,热端部件承受高温、高压、高转速机械载荷和高盐雾、高湿度等腐蚀环境耦合作用,常发生热腐蚀-疲劳失效,影响结构完整性、安全性和可靠性。本文针对航空发动机和燃气轮机热端部件热腐蚀-疲劳失效问题,总结和分析了涡轮盘、涡轮叶片高温合金及涂层热腐蚀机理,涡轮盘、涡轮叶片高温合金热腐蚀-疲劳失效机理以及热腐蚀-疲劳寿命预测模型和寿命评估方法,并对航空发动机和燃气轮机热端部件热腐蚀-疲劳试验研究和寿命评估方法的发展趋势进行了展望,以期促进燃气-海洋环境耦合作用下热端部件结构完整性评定方法的发展。     

薄膜冷却射流的水模拟显示

本文通过水模拟实验,对涡轮叶片气膜冷却时射流的流场进行了研究。实验是在不同的攻角和不同的密流比下进行的。实验结果表明,当攻角一定时,密流比增加到某一数值后,薄膜不再是稳定的而是变成一群“旋涡串”。这种“旋涡串”的出现将大大削弱薄膜冷却的保护作用,故在设计时应竭力避免。本文还对“旋涡串”的出现机理作了初步分析,并根据实验结果提出了相应的经验公式。     

倾斜与水平管内汽液两相流动沿程流型的研究

本文在文[1]的基础上,考虑当角度变化时受重力的影响后,在同一截面上的汽液两相分布不对称的特点,采用在管内配置三根平行并可同步移动的电导探针,对沿程各截面的“流型”进行测定。实验结果证明这种方法是可行的,且与计算结果相符合。本文还通过对大量实验数据的处理,得出饱和沸腾起始点Z_B与环状流起始点Z_N的经验公式,研究结果对于高温涡轮叶片液冷和其他动力工程中有关汽液两相流动与传热的设计与应用有重要的参考价值。     

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。     

基于流-固耦合方法的涡轮叶片热应力仿真

为真实模拟超高速转子的工作性能,必须对涡轮叶片进行流体-热-结构耦合分析。将有限元软件中提供的流-固耦合仿真技术应用到涡轮叶片瞬态传热计算中,利用ANSYS CFX建立了涡轮叶片与高温燃气的流-固耦合传热模型,该模型既包括了固体与固体之间的接触传热,也包括了流体与固体之间的耦合传热。以某涡轮转子为例进行了流-固-热耦合分析仿真计算,获得叶片的瞬态温度场分布和热应力。在此基础上结合整个涡轮叶片的实际工作状况对其模拟结果进行定性分析,验证其分析方法的可行性,为实际涡轮叶片设计优化提供了理论依据,有助于叶片加工工艺方法的改进,其分析方法对类似问题的处理也很有借鉴意义。     

精铸叶片金属型随形冷却蜡模的快速制作方法

针对现有树脂型快速模具存在精度差、导热率低的问题，提出了一种基于低熔点合金铸造成形的空心涡轮叶片熔模铸造蜡型注射用快速模具制作方法；设计了注蜡型腔模的复合结构，型腔模外部是铝合金框，内部是包埋有随形冷却铜管的低熔点合金铸造体；给出了模具内随形冷却管的设计方案。以“模具-蜡型-型芯”系统为分析对象，应用ANSYS软件进行了模具冷却仿真。仿真结果显示本模具的冷却速率与温度均匀性得到显著改善。     

新型涡轮叶片冷却技术换热特性实验研究

通过实验研究了一种新型涡轮叶片冷却技术（Thermal driving in high centrifugal field，TDHCF）的换热特性。该技术主要利用高彻体力场下微小封闭循环通道内流体的热驱动运动来达到高效换热的目的。实验中分别采用了液态H2O和氟利昂R12为热驱动介质，分析了离心力场下热驱动运动的流动规律和换热特性，讨论了TDHCF技术的总平均换热效果KH随旋转速度和热流密度的变化规律。研究发现：离心力场下，采用不同的流体作为热驱动介质所形成的热驱动运动规律相同，温度分布也基本类似，均是随着转速和热流密度的增加，热驱动运动强度提高，平均换热系数随之变大。研究结果表明：旋转速度、热流密度以及热驱动介质的热物性均影响了TDHCF所最终能达到的换热效果，其中旋转速度的影响尤为显著；在热流密度或转速不变的情况下，以液态氟利昂R12为热驱动介质，TDHCF可以达到更高的强化换热效果。与常规的气冷技术相比，采用TDHCF可以有效地提高换热效果。     

端墙形状对蒸汽涡轮效率的影响(英文)

运用CFD数值计算和平面叶栅的吹风试验对蒸汽涡轮导向叶片的端墙效应进行了研究,并在一试验蒸汽涡轮上得到了验证。由于本文研究给出了较高的效率,进一步实施了大量的三维数值模拟,该结果显示使用这一叶型对涡轮有一定的改善,尤其在涡轮叶片尖部有端墙时。在试验蒸汽涡轮上测量了尖部、根部均有端墙和仅尖部有端墙的不同效应,结果表明尖部有端墙时效率有所提高,然而当叶片有直端墙时,效率反而会下降。     

高压涡轮动叶内部冷却结构的改进设计

对某型高压涡轮动叶的内部冷却结构进行了详细的分析,提出了具体的改进方案,并利用有限元方法对改进前后的方案进行了叶片温度分布计算分析。结果表明,在相同冷却空气流量比的条件下,叶片尖截面表面最高温度降低了33°C,截面温差减小了131°C,改进效果明显。同时,改进后的冷却结构有效降低了叶片进口压力,提高了预旋喷嘴压比,减轻了高压涡轮转子的重量,达到了增加发动机推重比,减少冷却空气泄漏量,改善发动机性能的目的。     

基于多孔介质的发汗冷却特性数值研究

针对航空航天领域日益严峻的热防护需求,采用发汗冷却对受气动加热以及高温燃气侵蚀的热端部件进行热防护的技术方案受到广泛关注。本研究发展了适用于高超声速条件下的多孔介质发汗冷却数值分析方法,对相变发汗冷却数值分析方法进行验证及修正,进而获得具有较高准确度的多孔介质发汗冷却数值计算方法。对相变发汗冷却与外流场进行一体化耦合分析,获得主流温度、激波及发汗出流对冷却壁温及冷却效率的影响规律。     

试验室条件下304SS冲击式涡轮叶片疲劳寿命研究

可重复使用液体火箭发动机对冲击式涡轮叶片疲劳寿命的验证需求越来越强烈,然而,目前叶片疲劳试验以成本高昂的搭载试车为主,且冲击式涡轮叶片尺寸小,试验难度大。为此,本文以某型液体火箭发动机涡轮一级动叶为研究对象,建立了小尺寸液体火箭发动机涡轮叶片疲劳寿命仿真与试验室考核方法,从理论和试验的角度对叶片疲劳寿命实验室考核试验的可行性和合理性进行了论证。本文的研究可以为液体火箭发动机涡轮叶片和其他部件疲劳寿命的评估提供参考。     

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。     

泡状隔板对涡轮叶片内冷通道换热和流阻的影响

为增强涡轮叶片内部通道的换热、减小流动阻力,提出了一种新型的泡状隔板结构。通过实验与数值模拟相结合的方法,研究了等热流边界条件下泡状隔板结构的半径以及形状对通道换热和流阻特性的影响,并与直隔板进行对比,实验结果表明:在研究范围内,对称型泡状隔板结构能够大大减小通道流动阻力,随着泡状结构半径的增大,减阻效果增强;不对称型泡状隔板结构只在半径最大时能减小流动阻力;泡状结构对于换热的影响并不明显。实验结论可以为涡轮叶片内部冷却通道的优化设计提供理论依据。     

高压推力室人为粗糙度煤油强化换热实验

为提高煤油为冷却剂的高压推力室的冷却性能,对再生冷却通道中的人为粗糙度局部强化换热技术进行了电传热实验研究.传热实验以煤油为介质,实验件为不同人为粗糙度结构参数的方形直管,粗糙元高度小于1.0mm,最大实验压力不小于20MPa,最大流速为60m/s.结果表明,带有人为粗糙度的方形直管的换热得到了强化,随着人为粗糙度的高度增加,换热强化明显增加,随着流速增加而趋缓,而流阻的上升加快.与光滑矩形实验件对比,合理设置人为粗糙度可得到2倍的换热强化,流阻增加小于2倍.     

小型航空发动机特点及换热问题综述

首先介绍了小型航空发动机尺寸小、结构紧凑、转子转速高、长度短、工作环境恶劣等特点，然后基于这些特点提出了小型航空发动机在换热领域中进气系统防冰、离心压气机换热、燃烧室换热、涡轮盘换热、涡轮叶片外表面换热和涡轮叶片内换热等独特问题，最后分析了中国小型航空发动机换热领域的现有技术水平和下一步发展方向。     

某型航空发动机高压涡轮叶尖间隙数值分析

为提高现代航空发动机的性能和可靠性，国内外许多研究机构都先后开展了叶尖间隙控制技术方面的研究，而进行叶尖间隙的数值分析是其中的重要内容之一。本文采用有限元数值分析法，结合某型发动机高压涡轮，分析了叶片、轮盘和机匣的热－结构耦合变形及涡轮叶尖间隙的变化规律，得到了较为合理的计算结果。计算分析表明：在发动机快速加、减速的情况下，叶尖间隙的变化较大；涡轮叶片的热响应最快，涡轮盘的热响应最慢；发动机在采用了控制机匣温度的方法后，叶尖间隙得到了有效的控制。