燃烧室室壁冲击／气膜复合冷却壁温分布研究（二）理论部分

在考虑轴向导热的基础上，结合壁温分布实验数据，用纯气膜及冲击换热的研究成果，发展了计算纯气膜，夹层气膜及／气膜复合冷却火焰筒一维壁温分布计算程序，计算结果与实验结果二者基本吻合，研究表明，在冲击／气膜复合冷却计算中，应充分考虑Ｃｍ的值随Ｇｃ增大而增大的情况，且冲击／气膜冷却中的Ｃｍ取值高于纯气膜及夹层气膜冷却计算的Ｃｍ取值，本程序可用于纯气膜、夹层气膜及冲击／气膜复合冷却火焰筒一维壁温分布的初步分     

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。     

旋转条件下“冲击/出流”双层壁内部换热实验

以高效航空发动机涡轮叶片内部冷却为研究背景,在旋转条件下对带气膜出流的双层壁内部冲击换热特性进行了研究.实验在旋转与冲击方向相同和相反两种情况下进行,得到了冲击雷诺数Rej(5 000～10 000)、旋转数Ro(0～0.003 532)、无因次温比(Tw-Tf)/Tw(0.061～0.136)的变化对冲击靶面换热特性的影响规律;通过对"双层壁"的实验结果与常规"冲击/气膜"冷却结构的实验结果的比较发现,在不同的流动和旋转状态下,前者换热能力强于后者15%以上.      

冲击＋同向对流＋气膜冷却的三维壁温计算与分析

采用Fluent 6.3软件对冲击＋同向对流＋气膜冷却结构的壁温进行了流固耦合传热计算,获得了该复合冷却结构的壁温和冷却效果分布规律,并将计算结果与试验结果进行了对比.结果表明：冲击＋同向对流＋气膜冷却具有壁温分布均匀、冷却效果好等优点.计算结果与试验结果的分布趋势一致,最大相对误差为3.6%.     

弯曲多孔壁不同倾斜角气膜孔整体气膜冷却效率研究

对弯曲多孔壁气膜冷却整体冷却效率进行了深入研究.弯曲多孔壁由等曲率凹壁面多孔壁实验板来模拟, 实验研究了相同排列方式下2种不同小孔倾角方案整体气膜冷却效率, 分析了弯曲通道曲率对冷却效率的影响, 得到了沿流程的展向平均冷却效率及x/d=21.8和x/d=65.3处展向冷却效率分布.研究结果表明, 吹风比是影响凹壁面小孔气膜冷却效率的关键因素;随着吹风比的增大, 2种孔倾角冷却效率的差异变小;主流通道中气体的流动规律对冷却效率有较大影响.      

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%。     

喷管超声段壁面冷却热态试验研究

在高温条件下，对三种轴对称收－扩喷管超声段壁面排气引射冷却方案（缝隙式气膜冷却、离散孔气膜冷却和冲击－气膜组合冷却）进行了试验研究。得到了不同冷却方案的壁面压力分布、壁面温度分布和红外辐射特性，以及冷却气流量对这些性能的影响。结果表明：采用排气引射冷却技术可以大幅度降低喷管的壁温和红外信号特征，其中缝隙式气膜冷却的应用前景最好，离散孔式气膜冷却值得深入研究，冲击－气膜组合冷却不适合作为喷管排气引射冷却的基本方案。     

燃烧室壁冲击-逆向对流-气膜冷却特性的数值研究

采用FLUENT软件对冲击-逆向对流-气膜冷却结构进行了流固耦合计算, 得到了对流通道和气膜形成区流场、流体温度场以及固壁温度场分布, 分析了该冷却结构内部复杂的流动和换热情况.计算研究目的是摸索一种火焰筒壁温的计算方法, 以较好地获得火焰筒壁温分布.计算结果和试验结果进行了对比, 两者有较好的吻合性.分析表明采用流固耦合计算获取冲击-逆向对流-气膜冷却结构的壁温分布是可行的.      

涡轮叶栅端壁气膜冷却数值模拟

对前缘上游有双排气膜孔的涡轮叶栅端壁气膜冷却进行了气动和传热数值模拟。计算模拟了两排26个气膜孔,每个孔截面的网格数达到近200个,计算域包括了供气腔。计算得到了端壁气膜冷却的冷却效率分布并进行了冷气射流粒子示踪。计算揭示了端壁气膜冷却的流动与传热传质机理,并据此提出了端壁抛射气膜冷却的概念。结果表明数值计算可模拟气膜冷却的主要流动与传热特征,但在数值的准确性上还需要进一步的完善。     

涡轮动叶部分吸力侧肩壁凹槽状叶顶气热和冷却性能研究

为了获取高性能的燃气涡轮动叶叶顶结构和气膜冷却布局，采用数值求解三维Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) 方程和标准 湍流模型的方法研究了涡轮动叶部分吸力侧肩壁的凹槽状叶顶气热和冷却性能。数值模拟得到的动叶平叶顶传热系数与实验数据吻合良好，验证了数值方法的准确性。对比0.95吹风比时动叶凹槽状叶顶沿中弧线和近压力侧布置的2种气膜冷却布局的叶顶泄漏流动形态、传热系数和气膜冷却有效度，指出近压力侧的气膜冷却布局B的总压损失大于沿中弧线的气膜冷却布局A；但近压力侧的气膜冷却布局B具有更好的冷却效果。基于近压力侧气膜冷却布局的凹槽状叶顶结构，通过切除尾缘处不同轴向长度的吸力侧肩壁，设计了5种不同的部分吸力侧肩壁的叶顶结构。结果表明：切除10%吸力侧肩壁的Case 7能有效降低总压损失，平均总压损失系数相比完整肩壁的Case 2降低了6.3%；叶顶净热流密度减少和传热系数分布与Case 2基本相同，尾缘处的冷却效率因冷气受到压制附着于叶顶而提高。     

带冲击的两相气膜冷却特性数值模拟

用数值模拟方法研究了带冲击的气膜冷却系统的流场结构，示出了气流和冲击腔内的螺旋流动、气膜孔下游的肺状低压区、横截而对称双漩涡以及由双漩涡形成的交叉双锥形水蒸气体积分数等值面。比较了体积分数为0．5的水蒸气膜与纯空气膜的冷却效率，得到水蒸气膜平均冷却效率高于空气膜。在x=3d处高出31．6％。在x=26d处高山19％。水蒸气膜与空气膜相比换热系数变化不大。     

Experiments of flow and heat transfer performances for air-cooling laminated turbine vane

Flow resistance and heat transfer coefficients of typical double wall laminated film cooling configuration within a turbine vane were experimentally studied.The specimen was in large scale,and made of transparent organic glass.Laminated configuration consisted of double wall laminates,pin-fins,staggered arrays of impingement and film holes.The number ratio of impingement holes,pin-fins and film holes was2∶1∶1.Five experiment vanes were installed in static cascade,and experiments were carried out under constant heat flux.Re of internal cooling air in the experiment was from 104 to 2×105,and Re of external fluid was from 105 to 3×105.The experiment results show that flow resistances of front channel and back channel of the vane are in the same level,and both of them decrease as Re of cooling air increases.Nuof front channel is slightly higher than that of back channel.Both of them increase as Re of cooling air increases.And experiment results were obtained from experiment vanes were compared with that obtained from laminated flat plates,and the tendency of the results agrees well.     

冲击加多斜孔双层壁冷却方式气膜绝热温比研究

采用传热传质类比方法,对冲击加多斜孔双层壁冷却方式气膜绝热温比进行了实验研究。主要考虑了双层壁夹缝高度、冲击壁、吹风比、孔排列方式、以及孔间距对局部绝热温比的影响。并且给出了根据 5种几何结构实验板的展向平均绝热温比沿流向的分布运用最小二乘法拟合公式。研究结果表明:对某一确定几何结构的多斜孔实验板,加冲击壁与否以及双层壁间夹缝高度的变化对相同吹风比下的绝热温比影响甚小,局部绝热温比的分布主要取决于吹风比和孔阵排列方式。从绝热温比考虑,叉排长菱形排布比较理想。      

应用红外热像技术实验研究层板结构冷却特性

在高温热风洞中,应用红外热像系统对三个具有真实燃气轮机尺度的层板结构进行了冷却特性实验研究.为了描述冲击、对流及导热的综合作用,采用数字图像信号运算技术,直接获得描述冷却前后层板高温表面二维温差分布.通过比较三种层板结构综合冷却效率,详细讨论了绕流柱数目及直径、气膜孔角度、主流雷诺数和努塞尔数对层板冷却效率的影响.      

超声速气膜冷却数值模拟

应用SST k-ω湍流模型,对三维粘性掺混流场进行了数值模拟,得到了切向入射的超声速气膜在不同吹风比和冷却通道下的绝热温比分布.计算结果表明:吹风比是决定超声速气膜冷却效果的重要因素,吹风比增大,冷却效果随之提高;冷却通道不同,冷却效率的分布规律也不同,矩形孔在出口处存在冷却效果较低的区域;离散孔冷却通道在下游和冷却通道中间线上的冷却效果存在明显差异,侧向倾角的引入使这种差异消失;扩散孔和侧向倾角两种结构上游冷却效果好,但下游衰减更快;引入的评价参数可以为比较不同的气膜冷却方式提供参考.      

冲击+逆向对流+气膜冷却传热特性的研究

为了研究火焰筒壁面冲击+逆向对流+气膜复合冷却方式的传热特性, 设计了6种不同几何结构的实验件, 搭建了实验台, 采用红外热像仪对其传热特性进行了研究.结果表明, 冷却效率随吹风比的增大而增大;在气膜出口与冲击位置之间, 气膜冷却效率沿主流方向不断增加, 在相同的冷却壁面处, 冷却效率随冲击位置距气膜出口的增加而减小;越过冲击位置, 冷却效率随壁面位置的增加而减小.在冷却壁面的任一位置, 冷却效果随冲击间距的减小而增大.      

微尘沉积形貌对冲击气膜冷却结构换热特性影响的数值研究

带有微尘的空气进入航空发动机,极易在涡轮叶片内冷通道发生沉积。为探究微尘沉积形貌对涡轮叶片内冷通道换热特性的影响,选取冲击气膜冷却结构,基于微尘沉积实验结果,构造微尘沉积形貌,由锥状突起和环状突起组成,通过数值模拟获得不同射流雷诺数下冲击靶面努塞尔数Nu。研究结果表明,冲击靶面微尘沉积层的出现,将大幅降低浸润面积平均努塞尔数Nuwetted,而对映射面积平均努塞尔数Nuavg影响较小;冲击驻点周围的高换热区范围减少;相邻冲击孔中点附近的高换热区努塞尔数Nu增大;此外,射流雷诺数的增大整体上提高了冲击靶面的换热强度。由于锥状突起和环状突起的扰动作用, 壁面附近回流涡增多, 使得冲击靶面大部分区域温度边界层厚度增加,因此换热性能降低。     

叶片吸力面不同位置处气膜冷却特性对比

在跨声速叶栅通道内，试验研究了叶片吸力面不同位置处的气膜冷却特性，详细地分析吸力面两个位置处的簸箕孔型在主流进口雷诺数为3.7×105、出口马赫数为0.81，0.91，1.01及气膜吹风比为0.6～2.1条件下的气膜冷却效率.结果表明:气膜孔2位于大的叶片曲率位置处，该位置处主流能使得射流更好地贴附在壁面上，但是该影响有利有弊.在小吹风比下，气膜孔射流本身就能很好地贴附壁面，因而主流使得气膜贴壁较好的作用不强，而主流使得气膜展向扩展不易的负面影响却比较明显.在大吹风比下，气膜射流法向分量较大，气膜容易脱离壁面，此时，气膜孔2由于主流作用使得气膜更好地贴附在壁面上，气膜冷却效率有较大提升.      

内冷通道横流条件下气膜冷却特性

为了研究内冷通道横流条件下气膜冷却的流动和换热特性,采用窄带瞬态液晶测量技术获得了内冷通道横流条件下吹风比分别为0.5,1,2时气膜孔下游冷却效率和表面传热系数云图,并通过数值模拟得到了气膜孔内及下游区域流场的详细信息.结果表明:内冷通道横流对气膜孔下游冷却效率和表面传热系数分布有重要的影响.横流增强了气膜孔射流的展向分布能力,增强了高吹风比时气膜冷却效果.另外,气膜孔下游涡的分布出现明显的不对称性,涡的结构更加复杂.