转子叶片径向受限的“冲击-气膜出流”冷却结构流动与换热

为揭示转子叶片径向受限的"冲击-气膜出流"冷却结构流动换热规律,以某型双层壁叶片肋化分割形成的冷却单元为研究对象,通过数值模拟的方式,对冲击雷诺数Rej,旋转数Ro,无因次温比(Tw-Tf)/Tw等参数变化下流场和换热特性变化规律展开研究。结果表明:在哥氏力和离心力作用下,受限空间内存在射流偏转、径向二次流动以及二次冲击等现象;流动的径向受限可抑制射流偏转,强化冲击换热;相同的旋转数Ro下,逆转向冲击(叶背区)换热努赛尔数Nu比顺转向冲击(叶盆区)高8%。在研究的参数范围内,数值模拟和试验结果说明径向受限周向出流结构能有效的抑制旋转对换热的削弱。     

双层壳型冲击/气膜结构内表面换热特性实验

以双层壳型冲击/气膜复合冷却结构的平壁模型作为研究对象,进行了该种结构典型冷却单元的放大模型实验研究。通过改变冲击Re数(10 000~40 000),冲击间距和冲击孔直径之比H/D(0.17~2.0),冲击孔和气膜孔间距与冲击孔直径之比P/D(0~5.0)等参数,利用热膜法研究了该典型冷却单元结构中内表面的换热特性。研究结果表明:参数Re,H/D,P/D对内表面局部换热系数的影响呈现出复杂的关联性。在本文的实验工况参数条件下,随着冲击Re数的增加,内表面换热效果逐步增强;并且存在一个最佳的H/D和P/D范围使得内表面换热效果最佳。综合分析实验结果,当H/D=0.67,P/D=3时,双层壳型冲击/气膜冷却结构内表面能达到最佳的换热效果。     

旋转条件下带出流孔的受限空间内冲击换热

以旋转涡轮叶片内部冷却为背景,在旋转条件下对带出流孔的受限空间内冲击换热特性进行了实验研究。在冲击与旋转方向、相反两种情况下,通过改变冲击雷诺数Rej(5 000~10 000)、旋转数Ro(0~0.003 4)、无因次温比(Tw-Tf)/Tw(0.056~0.134)对冲击靶面的平均换热特性进行了研究。研究发现,靶面的换热随冲击雷诺数的增加而变好;旋转对冲击换热的削弱在雷诺数较大时表现更明显;实验参数范围内浮升力对换热的影响较小;离心力、哥氏力等对换热的影响程度与内部空气的流动结构及出流方式有关。     

气膜孔与冲击孔面积比和动量比对加力燃烧室双层壁隔热屏综合冷却效率的影响

基于综合冷却效率模化理论和匹配原则,采用红外测温技术测量了加力燃烧室双层壁隔热屏的综合冷却效率分布,分析了气膜孔与冲击孔面积比( 1、2、3、4)和动量比(I=0.02-0.88)等参数对加力燃烧室双层壁隔热屏冷却特性的影响规律。研究结果表明：综合冷却效率分布由冲击冷却、气膜冷却及冲击孔和气膜孔的相对位置决定。高冷效区域集中在冲击驻点附近和气膜覆盖的区域。沿着主流的流动方向,气膜板下游的综合冷却效率高于上游的综合冷却效率。随着动量比的增大,综合冷却效率增大。随着气膜孔与冲击孔面积比的增大,气膜板上游的综合冷却效率主要是由于冲击换热的增强而增大,气膜板中下游的综合冷却效率是由于冲击换热和气膜冷却效果的增强而增大。气膜孔与冲击孔面积比由1增大到3,面平均综合冷却效率提高72%,气膜孔与冲击孔面积比由3增大到4时,面平均综合冷却效率提高了12%。     

导叶端壁全气膜冷却实验研究

利用瞬态实验的方法研究了导叶端壁的换热以及气膜冷却特性.通过实验分析对比了不同雷诺数(Re)下的端壁换热特性,并得到了准则关系式.针对端壁区域复杂的换热,设计了一种新型的端壁全气膜冷却布置.对比不同的进口吹风比情况下的换热情况,在低的进口吹风比状态下,即Minlet为0.7～1.5之间,冷气射流对于前缘和尾缘的覆盖很好.     

直径比对冲击气膜组合冷却流动与换热的影响

 通过数值模拟,研究了涡轮叶片弦中区所采用的新型双层腔冷却结构的冷却特性,系统分析了冲击气膜组合冷却的流动与换热特性,讨论了冷气进口雷诺数Re、吹风比M以及气膜孔与冲击孔的直径比D/d对组合冷却效果的影响。计算参数范围是：冷气进口雷诺数Re＝2 000～5 000,吹风比M＝0.6～2.0。计算结果表明, 冷气进口Re,M以及D/d对双层腔结构冷却效果的影响非常明显,在计算范围内:（1）Re和M越高,冷却效果越好;（2）当冲击孔直径一定时,增加气膜孔的直径,冷却效果会随之增加;（3）当冲击孔直径一定时,增加气膜孔的直径,流阻系数会随之减小。     

稀疏型气膜出流内部冷气侧换热特性实验研究

目前航空发动机涡轮叶片的弦中区大多采用稀疏型(相对叶片前缘)气膜冷却技术。实验研究了这种复合冷却方式中带有冲击射流和没有冲击射流两种情况下的稀疏型气膜出流内部冷气侧换热特性,通过对大量的实验数据分析,得出了诸多流动及几何参数对叶片内表面换热特性的影响,并在实验参数范围内整理出了换热准则关系式。其分析结果及相应准则关系式对叶片的结构设计具有直接的指导意义。      

单、双层壁火焰筒壁面冷却效果比较试验研究

在纯气膜壁面冷却设计的单层壁短环形燃烧室试验件基础上 ,设计了局部双层壁结构 ,构成冲击 逆向对流 气膜复合冷却 ,并进行了单层壁火焰筒与双层壁火焰筒壁面冷却效果对比试验。结果表明 :相对单层壁的纯气膜冷却 ,由双层壁形成的冲击 逆向对流 气膜复合冷却方式使气膜段最高壁温下降、沿气膜流动方向壁面温度梯度减小。     

密集型气膜出流内部冷气侧换热特性实验研究

航空发动机涡轮叶片前缘大多采用密集型气膜冷却技术。针对这种复合冷却方式中密集型气膜出流的无冲击冷却内部换热特性进行了大量实验研究,得出了气膜出流与来流密流比、来流雷诺数以及出流开孔面积比对换热特性的影响,并在实验参数范围内整理出了换热准则关系式。其结果及准则关系式对叶片的结构设计具有直接的指导意义。      

凹槽状叶顶涡轮叶片传热特性的数值研究

采用计算流体动力学软件ANSYS-CFX数值求解三维Reynolds-Averaged Navier-Stokes(RANS)和标准k-ω紊流模型研究了涡轮叶片凹槽状叶顶的传热特性。数值预测的平顶部叶顶的换热系数分布与实验数据吻合良好,验证了数值方法的可靠性。计算分析了凹槽深度和肩壁厚度对凹槽状叶顶传热特性的影响,还分析了动叶与机匣相对运动下的凹槽状叶顶无气膜冷却和中弧线布置气膜冷却时的流动换热特性。研究结果表明:在肩壁厚度一定时随着凹槽深度的增加叶顶换热系数降低;在1%叶高的叶顶间隙和2%叶高的凹槽深度及4种肩壁条件下1.0mm肩壁厚度时叶顶换热系数最小。相比于动叶与机匣均静止时,动叶和机匣之间的相对运动能够增强动叶顶部的换热效果;动叶与机匣间的相对运动能够增强前缘处气膜冷却效果,总体来说动叶旋转时的离心力和哥氏力对凹槽状叶顶的气膜冷却效果影响有限。     

叶片前缘旋流和常规冲击对比数值研究

为了寻求更好的叶片前缘内冷结构,对旋流冲击和常规冲击的流动和传热特性进行了数值模拟,对比研究了二者的涡流结构、传热强度、流动阻力、综合传热性能和热均匀性,研究了通道Re数和冲击间距对这些参数的影响。结果表明旋流冲击形成的旋涡有利于传热的增强和热均匀性的提高。在所研究的Re数（2×104~7.78×104）和冲击间距（3.3~5倍直径）范围内,旋流冲击与常规冲击相比平均传热增强18%~34%,增幅随Re数和冲击间距的增大而增大;流阻增大10%~26%,增幅随Re数和冲击间距的增大而减小;综合传热性能增强20%左右;热均匀性提高60%左右。     

旋转半受限单孔冲击局部换热特性实验

利用热膜法测量局部换热系数Nu,对旋转条件下半受限冲击射流的换热特性开展了实验研究.通过改变冲击雷诺数Re(20 00035 000)和旋转数Ro(00.003 441)等参数,讨论了旋转状态对半受限单孔冲击换热特性的影响.实验结果表明:旋转显著影响了冲击靶面的局部换热系数分布规律.在实验工况范围内,靶面局部(平均)Nu数均是先随着旋转数Ro的增加而增强,后又随着旋转数Ro的增加而减小.实验中还观察到同静止情况相似,旋转条件下半受限冲击射流的冷却效果也是随着冲击Re的增加而不断提高.      

延伸冲击孔冲击冷却流动与换热特性的数值研究

采用数值模拟方法研究了延伸冲击孔冲击冷却系统的冷却特性,分析了3个冲击雷诺数和5个冲击孔延伸长度对冲击腔内流动与换热特性的影响,给出了靶面努塞尔数分布、靶面压力分布、中心截面流速与综合换热性能的变化。结果表明：延伸冲击孔可以有效地防止横流对冲击射流的偏转作用,同时使射流出口更加贴近冲击靶面壁面,冲击速度更高,可以明显提高靶面的换热系数,并使整个靶面上的换热系数分布也更加均匀。冲击冷却的冷却性能随着冲击孔延伸长度的增加而增加,相较于传统冲击冷却（baseline）,在L/d=2.5时靶面平均努塞尔数提升达15%以上,但压力损失也相对较高;对比不同延伸长度冲击孔的综合换热性能,发现存在最佳的L/d取值范围使冲击冷却系统获得最佳的综合冷却性能。在本研究范围内,最佳的L/d= 2.5。     

冲击粗糙壁面复合冷却实验研究

对有初始横流的冲击粗糙壁面复合冷却技术进行了实验研究。由以往研究可知,影响换热效果的因素很多,主要可分为流动参数和几何参数。本文主要通过实验以了解各种流动参数、几何参数对换热特性的影响规律,并对其结构设计提出有价值的参考意见。      

涡轮叶片前缘旋流-气膜复合冷却内部流动传热特征实验和数值模拟

为了提高涡轮叶片前缘的冷却效率,本研究提出了一种偏置冲击孔的旋流-气膜冷却结构。在20000～50000雷诺数范围内,对冲击孔居中和偏置分别开展实验研究和数值模拟,得到了两种结构的内部传热、流阻和流场特性。实验通过瞬态液晶热像技术获得前缘内表面的详细努塞尔数分布,并结合数值模拟的结果分析了流场特征,对强化换热的机理做出解释。实验结果表明：叶片前缘内部旋流使总体平均努塞尔数提高4.0%~9.4%,同时压力损失降低5.6%~6.4%。数值模拟结果表明,偏置冲击孔利用叶片前缘曲率较大的结构特性产生了强烈的旋流,使高换热区的面积显著增加,改善了内部换热的均匀性。     

小间距冲击凹柱面靶板换热特性实验

利用热膜法,实验研究了小间距下单孔冲击受限凹面靶板的局部换热特性。通过改变冲击Re数(20 000~30 000),冲击间距和冲击孔直径之比H/D(0.2~1.0)等参数,重点分析冲击靶面周向和轴向的局部换热系数及其分布规律。结果表明:小冲击间距工况下,由于滞止区内高压区作用,气流被加速,靶面轴向上出现除滞止点以外的第二个强化换热峰值,并且随着冲击间距的减小,该效应越加明显;当H/D较小时,由于冲击导管端壁表面的限制,冲击射流在凹面靶板的周向形成冲击射流,显著提升了周向的局部换热效果,周向上也出现了二次强化换热峰值。随着H/D的增加,周向二次强化峰值迅速消失。实验中当H/D=0.2时,凹面靶板的换热效果达到最佳。     

具有针肋的狭窄空间冲击冷却实验和数值计算

对具有全高度针肋扰流的狭窄空间冲击冷却进行了实验和数值计算,并与平板靶板冲击冷却传热性能进行了对比分析.射流冲击雷诺数范围为15000~30000.实验采用瞬态液晶热像技术获得了冲击靶板上详细的传热分布,并通过数值计算获得了冲击冷却系统中的流场和传热特征.实验研究表明:狭窄空间冲击冷却中的针肋靶板端壁上的平均传热性能比平板靶板提高约7.0%,压力损失提高约17.9%,并且针肋改善了靶板端壁上传热均匀性.另一方面,数值计算分析表明近壁面射流以及空间中的上洗涡流与针肋表面发生强烈相互作用,并且针肋显著地增加了换热面积,因此具有针肋扰流的冲击冷却系统具有显著增强的总体传热性能,比平板冲击冷却提高约27.0%.