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。     

端壁转动对凹槽叶尖流动换热性能的影响

为了研究端壁转动对跨声速凹槽叶尖流动换热性能的影响,采用数值方法,详细研究了三种冷却孔结构凹槽叶尖在端壁转动条件下的叶尖间隙流场、冷却流流态、气膜冷却效率、叶尖表面换热系数和叶尖泄漏流量,同时考虑凹槽深度和端壁转动速度的影响。结果表明:端壁转动在叶尖凹槽内形成与泄漏流分离涡方向相反的旋涡,使泄漏流在凹槽底面的再附增强,在凹槽突肩的再附减弱。端壁转动能减少叶尖泄漏流量,研究范围内,叶尖相对泄漏流量最多减小20%。随着凹槽深度增大,叶尖平均气膜冷却效率随之增大,叶尖平均换热系数和叶尖泄漏流量随之减小。随着端壁转速减小,叶尖泄漏流量随之增大,压力侧和吸力侧冷却孔模型的叶尖平均气膜冷却效率随之减小,而中弧线冷却孔模型的叶尖平均气膜冷却效率随之增大。压力侧喷入冷却气流,叶尖的气膜冷却效果最好。     

高压涡轮冷却叶片叶顶结构气动与传热

开展了叶顶结构及间隙变化对高压涡轮冷却叶片气动与传热性能影响的研究,建立了四种不同叶顶结构的涡轮冷却叶片几何与数值分析模型,进行了高精度流热固耦合分析,得到了不同叶顶结构及间隙对涡轮冷却叶片气动与传热性能影响的数值分析结果。结果表明:不带射流孔叶片随着叶顶间隙的增大,总压损失增加;由于近壁面处存在的涡流,凹槽叶顶结构能够减少叶顶燃气泄漏,阻碍叶顶平面高温燃气的流动与热交换;叶顶射流孔冷却效果明显,能够大幅度降低叶顶平面温度。在相同叶顶间隙下,凹槽射流叶片具有最高的气动性能。     

叶片内部气膜孔附近壁面局部换热特性

对叶片弦中区内部“冲击-气膜出流”冷却方式中气膜孔附近壁面的换热特性进行了实验研究。取气膜孔前后三倍气膜孔径范围为研究对象，重点研究了冲击间距及冲击孔与气膜孔沿流向相对位置对其换热的影响规律。研究发现：对气膜孔前后局部范围，存在最佳的冲击间距与气膜孔径比；同样，对气膜孔前局部范围，也存在最佳的冲击、气膜孔沿流向相对距离与气膜孔径比；随着冲击孔与气膜孔相对距离的增大，冲击对气膜孔局部换热影响变小，气膜“溢流效应”突出，越靠近孔的地方换热越强。     

突肩叶尖开槽对叶尖间隙流动和冷却特性的影响

为了分析不同叶尖形式下的间隙泄漏流动,采用标准k-ε两方程模型求解雷诺平均N-S方程组的数值方法,研究了突肩叶尖开槽对叶尖流动和冷却特性的影响,气膜孔位置、机匣相对运动和吹风比也在考虑范围之内,详细分析了间隙泄漏流场、泄漏流量、泄漏损失以及叶尖气膜冷却效率。研究结果表明:突肩叶尖前缘和尾缘开槽均会使间隙泄漏流量增大,且随着开槽长度的增加而增大。压力侧尾缘开槽会使间隙泄漏损失增大,叶尖气膜冷却效率略微降低;吸力侧尾缘开槽会使得部分泄漏流从开槽处流出间隙,抑制泄漏流与主流之间的掺混,从而减小泄漏损失,并且会使叶尖气膜冷却效率增大;吸力侧前缘开槽对间隙泄漏损失和叶尖气膜冷却效率没有明显影响,但是从前缘进入凹槽内的泄漏流会改变叶尖表面气膜冷却效率的分布。吹风比增大时叶尖结构对叶尖气膜冷却效率的影响减小。机匣相对运动会减小叶尖间隙泄漏流量、泄漏损失和叶尖气膜冷却效率,但是突肩开槽的影响规律不变。     

污染物沉积和热障涂层脱落对气膜冷却效率影响的数值研究

污染物沉积到有热障涂层的涡轮叶片上之后,会导致叶片表面状况的改变,进而影响气膜冷却效率。为分析影响规律,利用三维数值计算研究了3种典型情况下的气膜冷却特性:污染物沉积、热障涂层脱落及气膜孔堵塞,并得到了吹风比的影响规律。研究结果表明,平板气膜冷却吹风比为0.5时,冷却效果最佳;在发生沉积和堵塞后,气膜孔附近产生的反旋涡对会削弱沉积和堵塞后的气膜冷却效率,沉积高度增加会强化这种削弱效果;由于在沉积情况下高吹风比会诱导出正向旋涡使得气膜贴近壁面,因此随着吹风比增大,气膜冷却效果增强;因涂层脱落而在孔下游产生的裂纹在低吹风比时会降低冷却效率,高吹风比时改进冷却效果,使得最佳吹风比由0.5上升到0.7左右;气膜孔堵塞会降低冷却效率,使得气膜更易脱离壁面。      

扩展型面排孔气膜冷却的实验

设计了三种型面的气膜孔扩展结构,研究了气膜冷却效率、壁面换热系数及流量系数随吹风比的变化规律.研究结果表明,与典型的圆柱形气膜孔相比,有后向扩展型面的气膜孔具有相对较高的冷却效率和换热系数,流量系数略有降低.扩展型面的流向扩展角对冷却效率和换热系数的影响大于侧向扩展角的影响.侧向扩展角只在特定吹风比下才对提高气膜的侧向覆盖率、进而提高气膜冷却效率起作用,它使得位于二次流出流下游的低压区域范围增大,流量系数减小.      

扩展型面排孔气膜冷却的实验研究

本文设计了三种型面的气膜孔扩展结构，研究了气膜冷却效率、壁面换热系数及流量系数随吹风比的变化规律。研究结果表明，与典型的圆柱形气膜孔相比，有后向扩展型面的气膜孔具有相对较高的冷却效率和换热系数，流量系数略有降低。扩展型面的流向扩展角α对冷却效率和换热系数的影响大于侧向扩展角 的影响。侧向扩展角 只在特定吹风比下才对提高气膜的侧向覆盖率、进而提高气膜冷却效率起作用，它使得位于二次流出流下游的低压区域范围增大，流量系数减小。     

旋转状态下孔排构型气膜冷却特性实验研究

 通过对旋转状态下带有孔排构型平板叶片模型表面的气膜冷却换热特性进行实验研究,得到了不同吹风比、旋转数、主流雷诺数和密度比情况下气膜孔下游流向位置上绝热效率的变化规律,同时提出了一个新的用于评价气膜冷却效果优劣的无量纲参数——有效覆盖率(EAR)。实验采用空气和二氧化碳作为冷却工质,利用热色液晶测温（TLC）技术对测试表面的二维温度场进行测量,并通过旋转拍照系统对液晶图片进行即时采集。研究结果表明,吹风比对旋转状态下二次流的流动形态起着决定性作用。随着吹风比的增大,二次流经历了附壁流动、分离流动和分离再附壁流动3种形态。当旋转数增大时,吸力面和压力面上的绝热效率呈现先上升后下降趋势,且压力面上整体绝热效率要高于吸力面对应值。主流雷诺数的增大导致壁面绝热效率出现降低趋势,但整体冷却效果变化不大;冷气对主流密度比的增大则有助于壁面冷却效果的改善。此外,EAR可以对不同工况下的壁面气膜冷却效果进行量化比较和评判,因而极具工程推广价值。     

涡轮叶片表面气膜冷却的传热实验研究

对压力面和吸力面各有双排气膜孔冷却的涡轮导向叶片表面进行了详细的传热实验研究,在不同吹风比下获得了当地气膜冷却效率和换热系数,结合流场测量结果分析了叶片表面冷却和换热规律。结果表明不同孔排位置叶片表面气膜冷却效率和换热规律有很大不同,孔排位置一定时,冷却效果主要由吹风比决定。结果还表明尽管冷气喷射使型面换热系数随吹风比的增大而显著增大,气膜冷却还是能有效的降低型面的热负荷,其中以中吹风比喷射时冷却效果最为显著。