大载荷跨音速高温涡轮复合式气冷叶片设计、试验和分析研究 （三）气冷叶片参数对冷却效果的影响

本文根据对四套跨音速涡轮复合式气冷叶片进行试验所获得的大量实验数据，较系统地研究了气冷叶片参数对冷却效果的影响。为设计气冷叶片选择参考积累了经验，提供了试验依据。     

涡轮叶片全表面换热特性试验研究

气冷叶片表面对流换热系数对气冷叶片设计至关重要。为了研究气冷叶片表面对流换热特性,设计了典型气膜冷却叶片,采用试验与数值计算相结合的方法对气冷涡轮叶片表面流动换热特性进行了对比研究,获得了叶片表面温度场及叶栅通道内部流场分布特征。结果表明:叶片表面的换热受叶栅流道结构的影响较大。在叶片前缘滞止点以及主流加速剧烈的位置换热较强,加入气膜孔可以局部增强叶片表面的对流换热,但却没有改变叶片全表面换热的变化趋势。     

单晶涡轮叶片热机械疲劳试验技术

针对单晶空心气冷涡轮转子叶片的热机械疲劳(TMF)试验要求,建立了涡轮叶片热机械疲劳试验系统,包括加载、加热、气冷、水冷和控制等5个子系统.试验结果表明:该系统能够同时模拟服役条件下单晶涡轮叶片考核截面的应力场、温度场、气冷过程以及应力/温度谱等.利用该试验系统进行了单晶涡轮叶片考核截面的热机械疲劳试验,试验结果再现了涡轮叶片在服役状态下的失效模式.基于上述试验结果可以进行涡轮叶片的寿命预测和失效分析.      

陶瓷涂层隔热性能试验研究

本文对跨音速复合式气冷涡轮导向叶片陶瓷涂层隔热性能进行了试验研究。试验结果表明 ,叶片中截面净隔热效果为 167K,局部位置为 145～ 2 0 6K。并且 ,研究了燃气温度对叶片陶瓷涂层隔热性能的影响     

世界航空发动机高压涡轮导向器研究综述

针对航空发动机涡轮气冷导向叶片的结构特征,结合国内外相关工作的研究状况,本文从多方面对高压涡轮气冷导向叶片结构设计与制造技术所取得的研究成果进行了总结和分析,重点介绍了高压涡轮气冷导向叶片的结构特点与制造工艺等。     

复合式气冷涡轮导叶冷却设计与试验

介绍了某型复合式气冷涡轮导叶的冷却设计与试验研究,在较高的温度和压力条件下,进行了真实叶片的冷却效果试验。通过对试验状态的对比计算及试验结果的分析,结果表明:所设计的涡轮复合式气冷导叶在较宽广的冷气流量比范围内,具有良好的冷却特性,计算结果与试验结果吻合较好。      

气冷高压涡轮模拟试验研究

为了量化评估冷气掺混对高压涡轮性能的影响,综合分析现有设备能力,采用动量比相似的模拟方法,在2个结构和测试布局相同,但叶片分别为实心叶片和气冷叶片的涡轮上进行对比试验,并借此开展冷气流量、气膜孔位置因素对涡轮性能影响的试验研究。结合试验数据对比分析不同的效率计算方法,确定有效效率为气冷涡轮效率的计算方法。试验结果表明:涡轮性能随冷气流量的增加逐渐恶化,作功能力逐渐下降,效率降低幅度呈先减小后增大趋势;从前缘至尾缘,冷气越靠后进入主流道,气体能量利用率越低,涡轮效率越低。     

“遄达”发动机的涡轮设计

与燃烧室一样，涡轮设计对于长寿命和低维修成本来说是极其重要的。随着涡轮进口温度的升高，涡轮部件需要改善冷却、材料和融热涂层。众所周知，罗尔斯·罗伊斯公司是气冷涡轮叶片的先驱者。早在1952年就最早试验过气冷涡轮叶片，1956年该公司的第一种锻造的气冷涡轮叶片投入生产。BRZll发动机系列从1992年的一22型采用简单冷却孔锻造叶片发展到1987年一524型采用多路回转冷却通道铸造定向凝固叶片，涡轮进口温度从1530K提高到1730K。“道达”892的涡轮设计是建立在RBZll的使用经验和当代三维气动、冷却和材料技术的基础上的，所有的转…     

燃气轮机涡轮导向叶片涡流交错肋冷却技术研究

研究了燃气轮机涡轮涡流交错肋冷却导向叶片的冷却效果。采用由联立的连续方程、动量方程和能量方程构成的专用程序,计算了冷却系统流体动力和换热特性;采用通用的有限元计算方法计算了叶片温度场。通过对涡流交错肋通道的几何特性、流体阻力特性参数、叶片冷却系统的流体动力和换热、叶片温度场的计算,获得了气冷导向叶片的冷却效果。考虑到最大径向和周向不均匀度和+30℃裕度的情况,得到气冷叶片的中间截面平均降温为350℃,气冷叶片中截面的平均冷却效果为0.383。     

复合式气冷涡轮叶片内流动和换热计算

本文给出了复合式气冷涡轮叶片内冷气流量分配、温增加和换热系数迭代求解方法和计算实例 ,还讨论了转动效应对冷气流动和换热和影响。并成功地应用于高性能推进系统气冷叶片的设计 ,同时也可用于气冷涡轮叶片改型和模底分析、验算     

扇形叶栅通道中密度比和流量比对叶片表面全气膜冷却特性的影响

为了研究扇形通道中真实三维弯扭导向叶片全气膜冷却特性,本文采用压敏漆(PSP)测试技术实验测量了叶片全气膜冷却效率,获得了不同密度比(1、1.5)和质量流量比(9.71%、11.64%、12.47%)对叶片全气膜冷却效率的影响规律,结果表明：低密度比条件下,随着出流比增加,叶片压力面侧气膜冷却效率逐渐增加,叶片吸力面侧靠近前缘区域气膜孔下游的冷却效率减小；密度比增加可以使叶片整体气膜冷却效率提高,其中压力面前侧靠近前缘区域的冷却效率提高最为明显,最多提高了182%；高密度比条件下,增加出流比仅会使得压力面侧-0.8< S/C <0气膜冷却效率小幅度增加。     

基于综合设计的涡轴发动机热力循环方案研究

为了对比研究不同热力循环参数的涡轴发动机方案,建立集总体性能设计、尺寸流路设计、部件初步气动设计和重量估算的总体/部件为一体的综合设计模型,利用部件效率/气动负荷耦合设计和涡轮冷气量计算模型,实现发动机总体/部件的耦合设计。结果表明:在现有的设计技术水平下,低压比方案、高涡轮进口总温方案以及低压比和高涡轮进口总温的组合方案各具优势;高热力参数方案的设计必须以技术的进步为前提;未来涡轴发动机的总体设计将会沿着高热力循环参数和低热力循环参数两种方向发展。     

冷却孔非均匀排布波纹板隔热屏冷却特性仿真

为了更加合理地分配冷却气体流量，提高纵向波纹板隔热屏结构的气膜冷却效率，提出了非均匀孔排布局波纹板隔热 屏结构，即保持开孔率不变，构建了上游波纹结构气膜孔排布密集、下游波纹结构气膜孔排布稀疏的非均匀结构。在发动机真实 工况下，采用数值仿真的方法研究了非均匀孔排方式对沿程冷却气体流量分配特性和气膜冷却特性的影响规律，揭示了振幅比变 化对波纹板隔热屏冷却效果的影响规律。结果表明：前密后疏型非均匀孔排布局可以改变冷却气体在隔热屏不同位置处的出流 量，从而显著提高隔热屏的气膜冷却效率。在气膜孔孔参数以及开孔率不变时，增大隔热屏上游孔排密度既可以提高隔热屏上游 的冷却效果，又不会明显降低隔热屏下游的冷却效果，使隔热屏整体面平均气膜冷却效率有所提高，相比于均匀孔排结构，前密后 疏孔排布局最高可使隔热屏面平均气膜冷却效率提高12.66%；在相同工况下，当振幅比从0.035增大至0.075时，隔热屏的面平均 气膜冷却效率显著提高，最高可使其面平均气膜冷却效率提高16.32%。     

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。     

高负荷跨音速复合气冷涡轮叶片的试验研究

在燃气涡轮研究所 ( GTE)的涡轮叶片综合冷却效果试验器上对四套大载荷跨音速复合式气冷涡轮叶片 (多种气膜孔方案 ) ,成功地进行了 2 90小时试验。试验结果表明 ,导叶在 2 - 8% ,动叶在 1- 6%宽广的冷气流量比范围内 ,具有良好的冷却特性。此外还分析了叶片参数对冷却效果的影响     

甲烷预冷膨胀循环空气涡轮火箭发动机性能分析

为研究以甲烷燃料为冷却剂的膨胀循环空气涡轮火箭发动机可行性及性能,采用部件法建立了甲烷预冷膨胀循环空气涡轮火箭（Air-Turborocket, ATR）发动机性能评估模型,研究了压气机压比和冷却剂当量比等参数在不同飞行状态下对发动机性能的影响,分析了不同来流工况下发动机正常工作对各部件的性能需求。计算结果表明,通过大于1.0倍当量比甲烷预冷作用,甲烷预冷膨胀循环ATR发动机能在压气机压比低于2.0条件下实现Ma0~4.0速域连续工作,但由于甲烷焓值较低,限制了压气机压比的提升,因此甲烷较低的单位功是限制发动机性能改进的主要因素;甲烷预冷膨胀循环ATR发动机的涡轮功率只有在较高落压比和甲烷压力条件下才能平衡压气机功率需求;冷却循环系统与空气的热力循环匹配问题是各部件协同工作的关键,通过适当选取发动机各部件控制参数,能在Ma0~4.0速域内获得1250~2114s的比冲、70~110s的单位推力和50%的总效率。     

喷射角对涡轮叶栅端壁气膜冷却传热的影响

在大尺寸低速平面叶栅风洞中,对前缘上游有单排气膜孔的涡轮导向叶栅端壁气膜冷却进行了详细的传热实验。在喷射角为25°,35°和45°以及吹风比为1,2,3下测量了端壁面上的局部冷却效率和换热系数,并由此计算出了叶栅实际工作状态下的端壁热负荷。着重研究了喷射角对端壁气膜冷却的影响。数据表明减小喷射角度虽然能够显著的提高冷却效率,但同时也明显的增大了换热系数,最终的冷却效果取决于端壁热负荷的大小。     

Experimental investigation of the full coverage film cooling effectiveness of a turbine blade with shaped holes

The film cooling effectiveness of two turbine blades at different turbulence intensities(0.62% and 16.00%) and mass flux ratios(2.91%, 5.82%, 8.73% and 11.63%) is studied by using the Pressure-Sensitive Paint(PSP) measurement technique. There are a baseline and an improved turbine blade in current work, and their film cooling hole position distribution is the same. But the hole shape on suction surface and pressure surface is changed from cylindrical hole(baseline)to laid-back fan-shaped hole(im...     

等压差条件下多斜孔综合冷效实验研究

为了研究不同进气条件对多斜孔气膜冷却的影响规律,采用实验方法,从等压差和等冷气量两个角度分别探讨了孔径d为0.5mm～1mm,开孔率op为0.0245～0.0383,流向倾角α为20°～45°的变化对综合冷效的影响规律。实验结果表明:综合冷效沿流向方向逐渐增大。开孔率和流向倾角不变时,孔径减小,在等单位面积冷气量下,综合冷效显著增加;在等压差条件下,孔径越小,单位面积冷气量越小,综合冷效仍然随之增加。孔径和流向倾角不变,两种进气条件下,综合冷效随开孔率的增加而增加,但等压差条件下增大幅度更高。孔径和开孔率不变,在等冷气量条件下,20°流向倾角综合冷效最高;在等压差条件下,30°流向倾角综合冷效最高。     

某型压气机低转速特性扩展方法对比分析

采用指数外插法在相近低转速时,通过发动机状态相似的假设得到部件特性,而能量外推法从能量损失的角度出发,通过发动机在自模化区的流动特点进行低转速特性外推。为验证能量外推法的可行性,在某型涡扇发动机高压压气机试验台上开展转速调试试验,录取高压压气机在不同转速下的性能数据并进行分析,得到改型发动机的高压压气机特性。根据经验,试验时最低相对换算转速只能达到0.5,采取2种外推方法对低转速特性进行外推。结果表明:能量外推法相比于指数外推法具有可行性好、准确度高的特点,在实际发动机研制过程中实用性更强。