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。     

带前缘涡轮动叶内冷通道流动换热数值模拟

在静止条件下,通过数值模拟的方法对接近真实的带前缘涡轮工作叶片腔模型内的流动与换热进行了分析.结果表明:腔内斜肋引发的三维涡对换热产生了巨大的影响,在一倍肋高范围内, Y-Z 和 X-Y 平面上都出现了肋后涡,使得此处传热系数降低;在 X-Z 平面上,第2通道产生一对方向相反的涡,第3通道只产生一个涡.两个通道中的涡都占据整个横截面,这些涡增加了通道流阻.冲击和气膜流动主导了前缘通道内的换热,冲击产生的一对涡加强了流动掺混,促进了前缘吸、压力面上的换热,而高速的气膜出流推动了这一过程.相同流量工况下,第2通道带肋表面的平均换热和局部换热都是最好的,而光滑的第1通道总压降最小,综合换热性能在各个通道中最高.随着雷诺数的增加,各通道吸、压力面的局部换热和平均换热都增强,但压降系数变化不大.      

旋转光滑及带肋U形通道的局部换热特性

用实验方法研究了旋转状态下光滑及带肋U形方截面通道的换热特性。带肋通道中,90°直肋对称布置在前后缘,肋片高径比为0.143,节距比为7。在实验雷诺数及旋转数范围分别为6100~25100和0~0.26下,对比分析了光滑及带肋通道的旋转换热特性。结果表明,带肋通道的换热明显好于光滑通道;旋转强化了第1通道后缘及第2通道前缘的换热,但削弱了第1通道前缘及第2通道后缘的换热;旋转效应对带肋结构的第1通道前后缘换热的影响最为明显;光滑通道中,弯道效应对其下游换热的影响较为显著。     

带交叉肋变截面回转通道内换热的实验研究

以航空发动机涡轮叶片内部回转通道为设计原型,实验研究了三种不同入口宽高比的带60°交叉肋变截面180°回转通道壁面的换热特性。分析了几何无因次参数和气流雷诺数对通道带肋表面换热的影响。结果表明:通道壁面的换热效果是随着进口雷诺数的增大而增加的,其分布趋势基本一致;对于不同宽高比的通道,低雷诺数时通道平均换热效果是基本相同的,在高雷诺数时宽高比小的通道要好于宽高比大的通道,而换热系数在整体通道上的分布情况基本相同。      

高压涡轮主动间隙控制机匣内部换热特性试验

针对高压涡轮叶尖主动间隙控制（ACC）机匣中的典型换热结构,利用试验研究了多层机匣结构中内斜向冲击射流的局部换热特征,重点分析了进口雷诺数（10000~24000）、冲击孔入射角度（30°,45°,60°）、冲击孔直径（1.0,1.5,2.0mm）等参数对带肋机匣表面局部和平均传热系数的影响规律.研究中发现加强肋的存在显著影响了机匣表面局部传热系数,同时由于冲击射流局部强化换热作用,多层机匣内表面不同位置的传热系数相差很大.试验结果表明:随着冷气进口雷诺数的增加,机匣加强肋表面局部和平均传热系数均提高.在研究参数范围内,冲击孔直径为2.0mm,孔数为23的情况下能够获得最佳的换热效果;相比30°和60°冲击孔入射角度,冲击孔入射角度为45°能获得更好的换热效果.      

涡轮叶片内部冷却通道传热和压力 分布特性的实验

针对带45°肋片圆形弯头U型通道进行了传热和压力分布特性的实验研究.实验中进口雷诺数变化范围在30000~55000之间.研究表明,肋片引起的横向二次流在弯头前区域是强化传热的主要因素.不同雷诺数下传热分布和压力分布的趋势完全一致,但弯头区后半段上传热分布有所差异.通道中的最大压降出现在弯头区,进口雷诺数越大,弯头损失系数和总损失系数都有所减小.流体在圆形弯头中,加速效果没有矩形弯头强烈,弯头区和弯头后的传热较矩形弯头都有较大幅度地减小.      

涡轮叶片内部回转通道的换热实验

用实验的方法研究了发动机涡轮叶片内部带肋回转通道壁面的换热特性.用瞬态液晶测量方法测量了整个叶片内部三个通道的全表面换热分布.研究了不同的气流雷诺数情况下和三个出口不同的出流比情况下对换热的影响.结果表明:在相同的出流比情况下,通道的平均努塞尔数随着入口雷诺数的增加而增大;在实验范围内,当进口雷诺数一定的情况下,三个出口出流比例为0%, 75%和 25%时整个通道的平均换热最强;在弯道处布置放射状的肋片,能够非常好地增强换热.      

带肋回转变截面通道内换热特性的实验研究

用实验方法研究了某航空发动机涡轮叶片内部带肋变截面180°回转通道壁面的换热特性,分析了上下面带60°平行斜肋和带60°交叉肋两种分布形式对换热的影响。实验结果表明:通道的努赛尔数随着雷诺数的增加而增大。在低雷诺数下两者的通道平均换热效果是相近的;在高雷诺数下交叉肋通道平均换热效果好于平行斜肋通道。变截面通道的壁面温度分布没有严格的以肋间距为周期的变化规律;交叉肋通道壁面温度沿流体流向的梯度要比平行肋通道的小。     

高压涡轮机匣加强肋表面换热特性试验

针对高压涡轮叶尖间隙主动控制机匣的多层结构,重点分析了机匣内部加强肋和安装螺栓共同组成的基本换热单元,利用热膜法研究了加强肋表面的局部和平均传热系数,得到了不同进气状态、加强肋高度对传热系数的影响规律。研究发现:冲击靶面传热系数随着冲击雷诺数的增长而增大,但传热系数的增长速率随着冲击雷诺数的增大而缓慢降低。3排冲击射流工况中,靠近出流位置的加强肋表面平均传热系数最高。试验结果表明,加强肋表面的传热系数受到加强肋高度和冲击雷诺数耦合作用。在高雷诺数时,增加加强肋高度带来的换热强化效果更加明显。      

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.      

Flow and Heat Transfer Characteristics in Rotating Two-pass Channels Cooled by Superheated Steam

In a modern gas turbine,using superheated steam to cool the vane and blade for internal convection cooling is a promising alternative to traditional compressor air.However,further investigations of steam cooling need to be performed.In this paper,the three-dimensional flow and heat transfer characteristics of steam are numerically investigated in two-pass square channels with 45° ribbed walls under stationary and rotating conditions.The investigated rotation numbers are 0 and 0.24.The simulation is carried out by solving the Reynolds averaged Navier-Stokes equations employing the Reynolds stress turbulence model,especially considering two additional terms for Coriolis and rotational buoyancy forces caused by the rotating effect.For comparison,calculations for the air-cooled channels are done first at a Reynolds number of 25 000 and inlet coolant-to-wall density ratio of 0.13.The results are compared with the experiment data.Then the flow and heat transfer in steam-cooled channels are analyzed under the same operating conditions.The results indicate that the superheated steam has better heat transfer performance than air.Due to the combined effect of rotation,skewed ribs and 180° sharp turn,the secondary flow pattern in steam-cooled rotating two-pass channels is quite complex.This complex secondary flow pattern leads to strong anisotropic turbulence and high level of anisotropy of Reynolds stresses,which have a significant impact on the local heat transfer coefficient distributions.     

涡轮叶片内部沿周边分布的竹节孔换热特性研究

根据发动机涡轮叶片内部沿周边分布的竹节孔冷却通道结构建立了简化的传热分析模型。首先通过无量纲分析得到了竹节孔的平均努塞尔数不仅与雷诺数和普朗特数有关,还与“竹节”形状、通道外壁形状以及流体和固体的导热系数比等参数有关。然后,对雷诺数和冷却通道几何参数对竹节孔平均努塞尔数的影响进行了数值模拟研究,计算并对比了上述参数对平均努塞尔数的影响规律,结果表明：（1）“竹节”结构使平均努塞尔数显著增大,而通道外壁形状主要影响了局部热流密度和局部努塞尔数的分布情况;（2）随着通道内的雷诺数和“竹节”的节高/孔径比的增加,平均努塞尔数单调增大。但以增大节高/孔径比的途径来提高平均努塞尔数时,阻力系数迅速增大;（3）可通过增大雷诺数和优化节距/节高比来提高竹节孔的平均努塞尔数,计算表明最佳节距/节高比约为10。     

叶尖及尾缘出流条件下内部冷却通道换热实验

为掌握某型高压涡轮叶片叶尖及尾缘出流流量分配比例对内部冷却通道换热特性的影响,利用瞬态液晶测量技术研究不同进口雷诺数、4种出流流量分配比例下局部换热分布规律及平均换热变化趋势.实验结果表明:相同出流流量分配比例、不同进口雷诺数下局部换热分布规律相似,出流流量分配比例对局部换热分布规律有决定性影响,主要体现在第2及第3通道,叶尖出流孔1出流会削弱这两个通道的局部及平均换热;叶尖出流孔2和尾缘间出流流量分配流量比例变化对第1、第2通道的局部及平均换热影响不大,影响主要在第3通道,提高尾缘出流流量分配比例会显著增强第3通道局部及平均换热.      

Measurements of heat transfer and pressure in a trailing edge cavity of a turbine blade

 An experimental investigation is conducted to obtain the heat transfer and pressure drop data for an integral trailing edge cavity test section that simulates a novel turbine blade's internal cooling passage with bleed holes. Local heat transfer is measured on both the suction and pressure sides by a transient liquid crystal technique, while pressures at six positions are recorded by pressure calibrators. Moreover, flow characteristic and its effect on heat transfer are analyzed for conditions with or without bleed flow. The experimental results show that, in the cases with bleed flow, local heat transfer on the pressure side exceeds that on the suction side in the first and second channels. In the cases without bleed flow, in the first and third channels, local heat transfer on the suction side weakens whilst it increases significantly on the pressure side. For the second channel, non-bleed condition leads to a more balanced heat transfer distribution between the upstream and downstream channel. Besides, after the bleed holes are blocked, heat transfer in the first bend region on the suction side declines sharply, while the opposite phenomenon occurs for the second bend region on the pressure side. In both bleed and non-bleed cases, the total pressure of six measurement positions decreases continuously along the channel at the same Reynolds number and it promotes for higher Reynolds number. Among all the measurement points, under the same flow rate condition, the highest speed occurs at Position 5, which also shows the maximum difference between the total and static pressures. When the bleed holes are blocked, the total pressure at each measurement position appears to increase.     

叶片弦中区内部气膜孔局部换热特性实验

对叶片弦中区内部有、无冲击射流的气膜出流冷却方式中,冷气侧气膜孔局部换热特性进行了实验研究。无冲击射流时,主要研究了来流雷诺数、气膜出流与横流密流比的变化对气膜孔局部换热特性的影响;研究发现,气膜孔局部的换热均随两者的增加而强化,且孔后的换热要好于孔前的换热,越靠近孔的地方换热越强,并对倾角为30°和90°时气膜孔的“溢流效应”进行了比较。有冲击射流时,改变冲击雷诺数、横流射流密流比等流动参数,通过对数据整理得出了这些参数对其局部换热特性的影响规律。      

不同流动角对变截面双通道内换热特性实验

研究了变截面双通道内肋的角度对通道换热的影响,并且与光滑变截面通道进行了比较。实验模型中,矩形肋对称布置在上下两个表面,肋与来流的角度按两种布置。实验结果表明,带强化肋通道的换热效果比不带肋通道的换热效果增强50%左右;与以往研究结论带有60°平行肋的通道换热效果大于带90°肋的通道的换热效果的结论不同,结果显示,当通道肋高比为0.092时,带有90°平行肋的通道换热效果大于带60°肋的通道的换热效果。      

带气膜出流的旋转叶片冲击冷却的实验研究

用实验方法研究了放大 4倍的涡轮叶片前缘模型在旋转状态下,带气膜出流时叶片内冲击面的换热特性。实验结果表明:雷诺数的增加显著地增强了换热,但叶片前缘和尾缘的增加是不同的,而浮升力对换热的影响是复杂的;在低雷诺数的情况下,旋转对换热影响不明显,而在高雷诺数时,会使换热降低。      

带90°肋和双排出流孔通道换热特性的实验

采用瞬态液晶测试技术测量了带90°肋和双排出流孔通道有出流壁面的换热分布,研究了出流孔与肋的相对位置、通道雷诺数和出流比对换热的影响.研究表明:肋间换热分布受肋前壁面气流分离,肋间气流再附着和出流的共同作用影响;出流孔位置的改变不会对气流再附着的位置产生明显影响;出流孔靠近上游肋时,回流区的换热得到改善,再附着区的换热被出流作用加强,换热特性变好;平均换热强化效果随雷诺数增大而减小,随出流比增大呈增大趋势,但增大幅度较小.