热辐射对气膜冷却叶片表面热负荷的影响

为了明确不同因素对叶片表面热负荷的影响规律,利用改进的WSGG模型,通过CFD数值仿真进行对流辐射耦合计算, 探明高温燃气辐射传热对叶片表面热负荷的影响。结果表明：进口压力、温度、黑体辐射温度和壁面发射率对叶片表面热负荷均 有一定影响,在进口总温从1750 K升高到2150 K的过程中,叶片表面温度整体升高幅度为250～300 K,而黑体辐射温度对叶片表 面温度的提升最高为40 K。在壁面发射率从0.3提高到0.8的过程中,叶片表面辐射热流密度随之增大,在吸力面和压力面局部区 域辐射热流密度增大了1倍。壁面发射率和高温燃气进口温度对叶片表面的温度和热流作用相当均匀,进口压力和黑体辐射温 度对叶片尾缘、前缘和压力面的热负荷影响远大于其他区域。在此基础上,提出了以进口总温、黑体辐射温度、余气系数和壁面发 射率为自变量,以辐射换热热流密度为因变量的辐射换热的经验准则关系式,获得了该经验关系式的拟合结果,并对该拟合精度 进行了计算,相对误差均小于5%。     

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。     

热辐射对气膜冷却叶片冷却性能影响

针对一种带有气膜冷却结构的涡轮一级导向叶片进行气-固-热耦合数值模拟,通过比较考虑/不考虑热辐射的温比和综合冷却效率,分析了多种辐射因素对叶片表面温度和冷却性能的影响。结果表明:入口黑体辐射温度在1200~1900K之间,叶片表面发射率在0.3~0.7之间时,考虑热辐射作用均会使叶片表面温度明显上升。入口黑体辐射温度1600K,叶片表面发射率为0.5时,叶片压力面温度整体上升约100K,叶片表面最高温度点（1350K）温度上升约50K;气体辐射对叶片吸力面和尾缘区域造成5%左右的温升;考虑辐射作用使得叶片综合冷却效率下降,叶片前缘和压力面尽管布置密集的气膜孔仍然难以满足冷却需求,综合冷却效率下降至0.3以下。      

旋转状态下涡轮叶片复合冷却结构

采用三维流固耦合换热计算研究了旋转状态下涡轮叶片冷却结构的复合冷却性能,讨论了辐射换热和转速对综合冷却效果的影响.结果表明:结构1叶根处出现局部高温区,低冷却效率范围大,叶片整体温度分布不均匀,结构2通过更合理的气膜流量分配提高了前缘附近冷却效率,降低了叶片表面最高温度,结构3采用内部蛇形通道使吸力面冷却效率显著提高,叶片整体冷却效率分布较为均匀；考虑壁面辐射换热时叶片表面温度升高,当表面发射率为1时局部温升超过50K,壁面辐射换热的影响不能被忽略；压力面综合冷却效率随转速增大而升高,3种结构的局部冷却效率最高分别能提升15.6%，13.4%和16.4%,吸力面上除弦中区冷却效率随转速升高有所降低外,其余位置冷却效率变化不大.      

涡轮叶片多层结构热障涂层隔热效果分析

为了获得叶栅流场作用下涡轮叶片热障涂层隔热性能,建立了带多层结构热障涂层的高压涡轮导叶模型,采用热流耦合方法计算热障涂层系统温度场,对叶片不同部位的涂层隔热效果,以及厚度和主流进口温度对隔热效果的影响进行研究。结果表明:涂层实际隔热效果在叶片吸力面最好,在尾部最差,在压力面沿顺流方向渐好。虽然涂层表面温度不同,但涂层内部的温降幅度与涂层表面温度的相关性不大,在吸力面涂层内部的温度降幅斜率最大,在尾部最小。隔热面层厚度每增加0.1 mm使合金平均温度约降低30℃。涂层隔热效果对主流进口温度较敏感,主流进口温度的变化与基底合金温降指标变化呈线性关系。     

发动机叶片流道内辐射换热的数值计算

应用贴体坐标系下辐射传递方程的离散坐标法，数值模拟了三维叶片流道内的辐射换热，计算了进口燃气总温分别为1673K和2193K时，发动机叶片流道内燃气对发动机机匣、轮毂和叶片的入射辐射热流密度。数值模拟表明，当进口燃气总温增加29.9%时，入射辐射热流密度将增加188%～212%。与直角坐标系下有限体积法的计算结果比较，二者非常接近。     

具有热障涂层的导向叶片耦合数值研究

利用气固耦合换热方法，对具有热障涂层（TBC）的、高度一体化的一级透平导向叶片的流动和换热特性进行了数值研究。结果表明:在接近真实透平高温高压运行的环境下，TBC对于叶栅通道的气动特性影响可以忽略不计；在冷气流量被减少的情况下，TBC在叶片前缘依然可以明显降低叶片金属表面温度和传热系数；但是，随着冷气流量的减少，TBC的作用在压力面尾缘急剧下降，在吸力面尾缘缓慢下降。对3个高度截面的平均金属温度定量比较得出:在同等冷却效率的条件下，厚度为0.15mm的TBC可以节约20%~30%的冷气流量。      

气冷涡轮叶片三维换热问题计算

建立了三维气冷涡轮叶片换热计算的热-流耦合计算模型, 将辐射热量作为源项加入到方程中, 采用热-流耦合方法完成了某气冷涡轮叶片带辐射的三维换热计算.辐射热量的计算采用了P-1辐射模型, 比较了计算辐射和不计辐射时叶片表面的温度值及温度分布的差异.计算表明对于1600 K这样的高温燃气, 辐射热量不可忽略, 考虑辐射热量后, 叶片温度明显升高, 温度分布也产生了显著差异.      

热障涂层对涡轮动叶温度及应力的影响研究

为研究热障涂层对于涡轮叶片服役温度和应力的影响,以燃气轮机第一级涡轮动叶为研究对象,基于流热固耦合的数值仿真方法,分析了有无热障涂层及不同热障涂层厚度下,叶片的流动传热特征以及叶身应力响应变化规律,并将温度和应力分析结果与真实服役叶片热障涂层剥落和基体裂纹萌生失效等故障情况进行对比分析。结果表明：数值仿真方法可以揭示涡轮叶片实际运行中的温度和应力分布特征;热障涂层可有效降低叶片基体的平均温度,但是对于局部高温区,若没有良好的冷却设计配合,热障涂层的保护效果有限;热障涂层厚度变化未改变叶片高应力区位置,随着厚度增加,叶片危险部位的应力逐渐下降;对于本文的研究对象,与无热障涂层情况相比,0.4mm热障涂层可使得叶片高应力区域最大等效应力下降30～60MPa。     

飞机发动机冷气道与隔热层的耦合传热分析

数值研究了某飞机发动机外侧冷气道与隔热层的耦合传热过程。采用低雷诺数k-ε模型与SIMPLEC算法计算通道内可压缩变物性气流的湍流对流换热,采用蒙特卡罗法求解通道壁面间的辐射换热。通道内气流湍流对流换热、壁面间辐射换热与隔热层内导热耦合求解。通过模拟计算,分析了通道与隔热层的耦合传热机制,考察了相关参数的影响。结果表明,在所考虑的通道结构与空气流条件下,冷气道外环壁面的温度高于气流温度,气流对内外环壁面均起冷却作用;在隔热层参数不变条件下,壁面间的辐射换热与气流的对流冷却是该传热过程的控制机制,增大冷气流量、降低壁面发射率均可显著降低隔热层的外壁面温度。     

内冷涡轮叶栅三维气热耦合数值模拟

为了研究涡轮动叶的内部冷却技术,对采用绝热边界的实心叶片、采用气热耦合的实心叶片和采用气热耦合的空冷叶片进行了研究.发现叶片导热对叶片温度场的影响相当显著;具有带肋蛇形通道和涡流矩阵肋片的内冷结构能使叶片温度大幅下降,但叶片表面温度分布不均匀性增大,换热系数沿叶片表面呈不规则分布.      

管道网络算法在涡轮内冷叶片换热计算中的应用

基于管道网络算法的概念,开发了适用于内冷通道换热计算的程序,耦合外流场求解程序HIT3D,以Mark II叶片实验工况5411的结果做验证,传热系数和温度的计算值与实验值有着较好的吻合.在此基础上,对某型高压涡轮动叶内冷通道的复杂流路,建立流体网络计算模型.对原型结构吸力面一侧叶顶新增一排气膜孔,并对前部和后部蛇形通道的两组相邻通道间新增连接起平衡作用的贯通孔各3个.改型设计和原型都用开发的管道网络程序计算流动和换热参数.结果显示:在入口冷气边界条件相同条件下,相对原型,改型设计最高温度和平均温度都有10K以上的降低,叶片吸力面局部高温区集中的状况改有所善.改型设计效果在CFX全三维模拟中亦得到证实.      

涡轮动叶表面换热特性的试验研究

航空发动机性能的提高对涡轮叶片耐热极限提出了更高的要求,为了更准确地分析涡轮叶片的传热特性,选取某型气冷涡轮动叶10%、50%和90%叶高的特征型面通过低导热光敏树脂材料经过3D打印而成,通过叶片表面粘贴厚度为0.02mm康铜加热膜接通恒定电流加热,使用红外热像系统精确测量叶片壁面温度,在平面叶栅中研究了吹风比(M)和雷诺数(Re)对气膜绝热冷却效率和努塞尔数(Nu)的影响(试验中基于弦长的进口雷诺数Re为8.0×10⁴-16.7×10⁴,吹风比M为1-3)。试验结果表明：M=1时气膜能够较好附着在叶片表面,叶片表面得到较好冷却;随着主流雷诺数的增加,绝热壁面温度逐渐升高,绝热效率逐渐降低;吹风比对涡轮叶片的传热特性的影响与气膜孔出流角度有关,随着吹风比的增大,压力面绝热冷却效率逐渐增大,由于吸力面的气膜孔出流角较大,吹风比增大使得吸力面的绝热冷却效率逐渐减小;随着吹风比的增加,对流换热系数增大。     

前缘气膜孔布局对涡轮转子叶片流动传热的影响

为了研究不同前缘气膜孔布局对叶片内部冷却系统、温度场分布的影响,针对某典型冲击-对流-气膜复合冷却高压涡轮转子叶片,保持叶片主体冷却结构不变,通过改变叶片前缘各列气膜孔的数量形成5种结构方案,完成了1维流动换热及3维有限元温度场计算。并模拟发动机工况,试验研究了叶片内腔流量特性、叶片中下部2个截面的平均冷却效果随压比、流量比的变化规律。计算及试验结果均表明:涡轮转子叶片前缘气膜孔数量及布局对叶片前腔冷气量、前缘温度分布影响明显,而对后腔冷气量、尾缘温度影响较小。     

涡轮叶片尾缘内冷通道旋流冷却特性

针对简化的叶片尾缘,设计了3种旋流冷却结构,即冷气分别从旋流腔中部射流孔、旋流腔异侧射流孔、旋流腔同侧射流孔进出旋流腔,并与常规凸台扰流柱冷却结构进行了对比数值研究,分析其强化换热机理和效果.结果表明:旋流腔的结构和冷气的进流布置对旋流冷却性能的影响很大,冷气从旋流腔某侧射流孔进出的旋流冷却结构不仅在流向截面产生涡旋,在展向截面也会产生涡旋,从而有效强化对流换热;相比凸台扰流柱冷却结构,旋流冷却结构能够增强换热,平均努塞尔数增大6.8%~22.9%,但流动阻力也随之增加;冷气从旋流腔异侧射流孔进出的冷却结构强化换热能力较高;而冷气从旋流腔同侧射流孔进出的冷却结构流动换热综合系数比凸台扰流柱提高4.2%,综合性能相对较优.      

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。      

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。