高旋转数内冷通道换热实验技术及验证

通过内冷通道换热理论分析及实验系统优化,获得了使内冷通道内气体压力保持在500kPa以上的高旋转数实验技术.旋转数和雷诺数的范围分别为0~2.08,104~7×104,极大满足了旋转数与雷诺数同时覆盖真实发动机涡轮叶片工作参数的实验需求.证实了雷诺数和旋转数对内冷通道换热的影响可以解耦.而应用该实验技术进行同等旋转数实验时,内冷通道热损失占总加热量的比例和实验误差分别降低到18%和±10%.     

旋转带肋回转通道换热实验研究

为深入掌握高压涡轮叶片带肋回转通道在旋转状态下的换热分布,建立了旋转内通道实验系统,利用瞬态液晶测量方法研究了动叶回转内通道模型的换热机理,比较了三维数值模拟和实验的换热结果。通道入口雷诺数为5000~17000,旋转数为0~0.09,旋转半径与水力直径之比为46.4。结果表明:不同雷诺数下回转内通道的局部换热系数分布相似,局部、平均换热系数均随雷诺数增加而增大;沿程展向平均换热系数呈多波峰状分布,肋的扰动强化换热沿流向逐渐减弱;径向出流通道的努赛尔数随旋转数增加明显增大,径向入流通道的努赛尔数随旋转数的增加略有减小;哥氏力使转弯下游通道的局部换热系数改变,肋间的高换热区域由前肋的背风面附近向两肋之间偏移。     

热载与进口气流条件对柱肋通道换热的影响

目前关于燃气涡轮叶片冷却的实验研究多数是在常温常压进口气流和低壁温条件下进行的,而实际燃气涡轮叶片的冷却气流为来自于压气机的高温高压空气,且涡轮叶片壁面热载（定义为加热壁面壁温与冷却气流进口温度之比）很高。为了掌握热载与进口气流条件对于涡轮叶片尾缘内部冷却通道的冷却效果的影响,本文在考虑空气物性随温度变化的情况下,采用数值模拟方法进行了相关的计算和分析。计算选取了两种进口气流条件（常温常压、高温高压）,热载为1.1-1.9,进口气流雷诺数为5×103-1×105。计算结果表明,进口气流雷诺数一定的情况下,随着热载的增大,通道内换热能力降低,流动阻力系数增大;与常温常压进口气流条件相比,高温高压进口气流条件导致通道努塞尔数降低,并且努塞尔数在高热载条件的降低更为显著;在进口气流雷诺数为60000的条件下,高温高压进口气流、热载为1.9的条件下通道的努塞尔数比与常温常压进口气流条件、热载为1.1条件下通道的努塞尔数降低了15.8%,且随着进口气流雷诺数的提高,通道换热的削弱程度进一步增大。本文的研究表明,涡轮叶片的冷却设计必须考虑叶片冷却的实际条件,并对实验数据结果进行合理修正。     

楔形扰流柱通道流动与传热特性

针对处在高速旋转(哥氏力、离心力以及诱导产生的浮升力)状态下的涡轮转子叶片尾缘独特的几何结构(带扰流柱的楔形通道)和特殊的流动方式(径向进气侧向出流),采用实验的方法在实际工况参数范围内对其传热和流阻特性进行了详细研究:雷诺数和旋转数的变化范围为20 000~45 000、0~0155。实验结果表明:扰流柱的存在使得径向区域底部的滞止区域变大,但这也让中部传热有明显的提升;流阻和综合传热系数的比光滑参数随着雷诺数的增加而下降;旋转对顶部传热有增强作用,底部传热减弱;总地来说旋转使得通道的平均传热减弱,流阻增加,综合传热系数下降。      

高旋转数下带肋回转通道的换热特性

为匹配真实发动机转子叶片的工作条件,将实验回转通道气体压力提高到500kPa以上,使雷诺数和旋转数范围分别扩展到10000~70000和0~2.08.在此基础上通过实验方法研究了高旋转数下带45°倾角斜肋的方形截面回转通道的换热特性.结果表明:回转通道的第1通道前缘面传热系数随旋转数的增大先减小,在达到临界旋转数后换热随旋转数增大而增强;低旋转数下,回转通道的第2通道前后缘面换热差异较小,随着旋转数的增大,前缘面换热始终强于后缘面,这种换热特性与光滑通道完全不同.      

温度比对旋转直肋双通道换热特性的影响研究

为了研究旋转涡轮叶片内部冷却通道的换热特性,将叶片内冷通道简化为带90°直肋的旋转双流程方通道,通过旋转加热实验的方式研究了温度比对旋转直肋双通道换热特性的影响。实验进口雷诺数范围为1×104~5×104,旋转数范围为0~2.02,实验平均温度比分别为0.11,0.16,0.20。研究结果表明,与光滑通道实验数据相比,90°直肋削弱了旋转对换热的影响,同时破坏第二通道后缘面附近的不稳定二次流,造成后缘面换热弱于前缘面;温度比是通过改变冷却空气物性与通道内浮升力对旋转通道换内热特性产生影响,温度比的提高引起的物性变化对通道换热具有削弱作用,静止情况下温度比0.20对应的换热与温度比0.11相比,被削弱程度可达16%,而浮升力对换热具有增强作用;低旋转数下,由温度比引起的浮升力作用与物性作用相互中和,高旋转数下温度比的增大对通道换热特性的增强作用更加明显,并且第二通道换热特性受温度比变化影响较第一通道小。     

导流叶片宽度对预旋系统性能影响的数值研究法

为研究导流叶片结构尺寸对盘腔预旋性能的影响,采用RNG k-ε模型对导流叶片无量纲宽度为0、0.1、0.2、0.4、0.6、0.8和1.0的预旋系统在不同旋转雷诺数工况下进行了数值研究.结果表明:导流叶片能够提高喷嘴压比和温降系数,旋转雷诺数越大,提高的幅度越大;旋转雷诺数较大时,喷嘴压比和温降系数随导流叶片无量纲宽度增大而增大,无量纲宽度超过0.6后,趋于平稳.当导流叶片无量纲宽度在0~0.2范围内,总压损失系数随导流叶片无量纲宽度的增大而增大;当导流叶片无量纲宽度大于0.2时,总压损失系数随导流叶片无量纲宽度的增大基本不发生变化.     

旋转通道入口湍流度控制方法及验证

针对旋转通道实验,为了获得理想的旋转通道入口湍流度,更好地模拟实际涡轮叶片内冷通道的流动换热,提出了一种入口湍流度控制方法,并通过实验对该方法进行了验证和初步探索.实验中,在边长为40mm×40mm的方形通道中,放置了一层网丝直径d=3mm,网丝间距M_u=12mm的阻尼网,利用热线风速仪,得到了雷诺数为2200~3900范围内的阻尼网后下游湍流特性.研究发现:流体通过该阻尼网后,湍流度显著增大并沿流向逐渐衰减,相同点湍流度随阻尼网雷诺数增大而增大,气流在阻尼网后较短距离内就获得了5%的湍流度,这与实际涡轮叶片内冷通道流动湍流度相当;阻尼网雷诺数越小,流动越早进入横向均匀及各向同性湍流;通过经典公式对阻尼网后通道中心湍流度沿流向分布进行拟合,实验数据与曲线拟合较好.      

旋转状态下带肋U形通道内换热的实验研究

用实验方法研究了涡轮叶片内带肋Ｕ形通道状态下的前缘、后缘及两侧面局部换热系数分布。结果表明,在旋转状态下此通道的努塞尔数随雷诺数的增大而增大。在进气通道的后缘和出气直通道前缘,努塞尔数随旋转数的增加而增加;在进气直通道的前缘和出气直通道的后缘,努塞尔数随着旋转数的变化出现几次反复。随着浮力数的增加,通道的平均努塞尔数是下降的。Ｕ形通道参旋转状态下的流动换热规律比静态下的复杂的多。     

冷气预旋系统温降与流阻特性的试验

简化发动机冷气预旋系统,对特定结构的两种冷气进口预旋角度的转静盘腔系统,开展冷气温降和流阻特性的试验研究.建立预旋系统旋转试验台,在旋转部件表面采用微型压力传感器测量压力,经过标定校正后获得预旋系统的出口总压.获得了旋转雷诺数、无量纲质量流量对预旋系统温降和流阻特性的影响规律.研究结果表明:对两种角度的预旋喷嘴,无量纲温降随无量纲质量流量的增大先增大后减小,随旋转雷诺数的增大而减小;无量纲压降随无量纲质量流量的增大而增大,随旋转雷诺数的增大而减小.      

凝结相变对低温风洞雷诺数试验的影响

为了研究凝结相变对低温风洞雷诺数试验能力的影响,基于Fluent软件建立了气-液两相凝结流动模型,相变模型采用考虑非等温效应修正的经典成核理论和Gyarmathy液滴生长理论;针对不同来流压力和不同试验雷诺数工况条件,对氮气绕流NACA 0012翼型进行了数值模拟。模拟结果表明:随着来流温度的降低,翼型附近区域气体膨胀越过气态饱和线并达到过冷状态,进一步降低来流温度则会在宏观层面上观测到凝结相变对当地流场的改变,与无凝结相变的流场相比,释放的潜热加热气流导致马赫数降低及压力系数的改变;在确保不破坏翼型气动性能试验的前提下,充分利用气体过冷区域来降低来流压力以此减少驱动功率和液氮喷入量是可行的,或者保持来流压力不变提升低温风洞的试验雷诺数。     

高压涡轮后腔流阻特性与瞬态换热试验研究

在航空发动机二次流系统中,涡轮盘腔的流动和换热问题伴随着复杂的几何、流动及热边界条件,为探究其流场和换热特性对发动机设计的重要作用,对一具有预旋进气孔和高、低半径出口的高压涡轮后腔内的流阻特性和转盘盘面的换热特性进行了试验研究,主要应用瞬态液晶测试技术对转盘表面的对流换热特性进行了测量。在试验中,旋转雷诺数Re_ф变化范围为8×10~5~1.0×10~6,无量纲二次流量(流量系数)C_W变化范围为5.29×10~3~1.19×10~4。试验结果表明:腔内压力及流阻特性受进气流量C_W和转盘转速Re_ф的影响;转盘表面的换热随着半径的递增以及预旋比β_p的增大而增强;出口湍流参数λ_T对换热特性影响很小。     

旋转状态下矩形微小通道流动与换热试验研究

为了研究微小通道结构在航空发动机涡轮叶片中应用的前景和可行性,以空气为冷却介质,在Re＝1000～3000、转速为0～500 r/min、Ro＝0～3.5×10-3条件下,对水力直径为1 mm的旋转微小通道组的流动和换热特性进行试验研究。结果表明：微小通道流阻系数呈现粗糙壁通道特征,通道临界Re≈2350,流阻系数以及临界Re随转速增加未见明显改变。在静止状态下,通道组综合换热系数随Re增大而增大,换热系数分布沿流动方向逐渐减小;在旋转状态下,通道组平均综合换热系数略有增大,旋转对换热特性的影响随着流动的发展而增大     

压气机叶顶区域周向模态特性的实验

针对压气机叶顶区域流动周向模态测试对传感器数量的要求及传感器数量受限时所产生的模态混叠现象,提出一种基于两套测点数组合来校准预测高阶周向模态的方法。结果表明:应用该方法,在实验测试中将可识别的模态阶数提升至原来的5倍。研究了轴流压气机叶顶区域压力脉动,捕捉到包括叶片通过频率(BPF)和旋转不稳定性频率(RIF)带凸起的叶顶区域流动模态特性。随着流量减少,频谱上对应的宽频带凸起结构向低频移动,主要周向模态阶数降低,但旋转角速度有所上升。压气机叶顶区域流动的时变特性分析表明,旋转不稳定性在时域上幅值波动较大,不稳定性明显。      

带进气预旋的旋转空腔平均换热特性研究

某型发动机的实际涡轮盘腔冷却结构被简化成外缘预旋进气的旋转空腔模型,以实验方法研究了旋转雷诺数（Re_ω）、冷气雷诺数（Re_z）、哥拉晓夫数（Gr*）对主盘平均换热特性的影响。实验发现,旋转空腔内流态将由罗斯比数（R_o）判断。根据实验结果给出了计算主盘表面平均对流换热系数的经验关系式。      

多齿轮缘封严特性的实验

使用气体体积分数法得到了多齿轮缘封严的封严效率分布，获得封严效率随无量纲封严流量变化规律，最终拟合得出实验工况下的最小封严流量计算关联式（实验中主流雷诺数为1.42×105~3.20×105,旋转雷诺数为5.27×105~1.36×106）.通过对二氧化碳体积分数的测量结果表明:在盘腔内部高半径处封严效率较低，而低半径处封严效率一直处于较高的水平；封严效率随封严流量的变化与Owen封严效率方程有较好符合度，说明可以用封严效率方程对多齿轮缘封严进行预测，实验结果进一步扩展了其应用范围.      

微小圆管内煤油流动研究

通过实验研究了RP-3航空煤油在微小圆管内的流动情况.分别研究了内径为1.0,0.8 mm和0.5 mm的微小圆管中的流动压降和摩擦阻力系数.实验结果表明:摩擦阻力系数(层流损失系数)随雷诺数的增加而减小,而且微小圆管内的摩擦阻力系数比常规尺寸圆管中摩擦阻力系数小;微小圆管中从层流转变成湍流的临界雷诺数也远小于常规尺寸圆管中的临界雷诺数2 300.此外,进、出口压差随雷诺数的增大而增大;相同雷诺数、相同管长的情况下,管内径越大,进、出口压差越小;管内径越小,进、出口压差越大.      

双旋转盘腔压力特性实验

将压力传感器安装在测点测量几何结构复杂的双旋转盘腔转盘表面的压力分布及盘腔进出口的总压损失.实验结果表明:当湍流参数由0.1变化到0.4时,转盘表面的压力先随旋转雷诺数的增大而减小,之后随旋转雷诺数的增大而增大,并且转变的湍流参数对于两个转盘是不同的.在相同湍流参数下,旋转雷诺数决定了转盘表面的压力分布曲线形状;两个旋转腔的总压损失随湍流参数的增大而增大,随旋转雷诺数的变化规律不同,右旋转腔两个入口到出口的总压损失随旋转雷诺数的变化规律也有差异.      

高位垂直进气旋转盘流动与换热的实验研究

本文用实验的方法对高位垂直进气转静系旋转盘附近冷气流动与换热特性进行了实验研究, 得到了静盘表面压力、转盘表面温度、局部努赛尔特数的分布及平均努赛尔特数, 并对结果进行了相应的分析。      

旋转U型通道流动与换热特性的数值研究

应用k-ω SST（shear stress transport）湍流模型,计算分析旋转U型通道在不同进口雷诺数（10000~60000）和高旋转数（0~2.013）范围内的流动与换热特性.结果表明:在静止和旋转状态下,进口雷诺数越大,努塞尔数越大.相比于同一工况下的静止状态,旋转显著增强了径向外流直通道的换热强度,径向内流直通道换热强度增大不明显.旋转数对U型通道换热的影响主要通过改变哥氏力和浮升力的大小.受哥氏力的影响,径向外流直通道后缘面换热增强,前缘面换热减弱.浮升力诱发了近壁面的流动分离,使得径向外流直通道前缘面不同位置处的换热强度随旋转数的增加而先减小后增大,计算得到的临界旋转数变化规律与实验测量结果保持一致,即无量纲距离参数与临界旋转数的乘积为定值.