旋转状态下气膜冷却效率试验研究

以某型发动机高压涡轮转子叶片吸力面腮区气膜孔为研究对象,通过模拟发动机状态的模型试验,研究了旋转数、吹风比和主流雷诺数对气膜孔冷却效率的影响。结果表明,旋转会导致气膜覆盖区域向高半径方向偏转,且旋转数越大,偏转角度越大,气膜冷却效率越低;同时,旋转会弱化吹风比、主流雷诺数等对气膜冷气效率的影响。研究获得的旋转状态下涡轮转子叶片型面典型区域气膜冷却特性的试验数据,可为发动机转子叶片冷却设计提供参考。     

尾迹对涡轮动叶全表面气膜冷却效率的影响

采用压敏漆（PSP）测量技术研究了尾迹对涡轮动叶气膜冷却效率的影响，测试叶片带有11排圆柱形气膜孔。获得了不同质量流量比和尾迹斯特劳哈尔数（Sr=0，0.12，0.36）条件下全表面气膜冷却效率分布的试验数据，结果表明：随着尾迹Sr数的增加，叶片前缘区域径向平均气膜冷却效率最大降低幅度达36.5%，吸力面径向平均气膜冷却效率最大降低幅度达53.5%，压力面径向平均气膜冷却效率最大降低幅度达24.2%；尾迹对前缘和吸力面气膜冷却效率的影响大于压力面；随着质量流量比增加，尾迹的影响减小；在进行涡轮动叶表面气膜冷却结构设计时，不考虑尾迹效应会增加设计风险。     

基于压力敏感漆技术的尾迹对涡轮动叶前缘气膜冷却影响研究

为探究上游尾迹影响下的涡轮动叶前缘气膜冷却特性,采用压力敏感漆技术,研究了尾迹对涡轮动叶前缘带有三排径向复合角圆柱形气膜孔的气膜冷却效率的影响,获得了不同吹风比(1.0～3.0)和尾迹斯特劳哈尔数(0,0.12,0.36)条件下前缘区域全表面气膜冷却效率分布的实验数据。结果表明:有尾迹时,随着吹风比的增加,叶片前缘大部分区域气膜冷却效率逐渐增加,仅有压力面侧气膜孔附近冷却效率逐渐降低。随着尾迹斯特劳哈尔数增加,前缘靠近压力面侧孔排下游的径向平均气膜冷却效率最大增加幅度达0.07,前缘正中间孔排附近径向平均气膜冷却效率最大降低幅度达0.13,前缘靠近吸力面侧孔排下游的径向平均气膜冷却效率最大降低幅度达0.18。整体看来,尾迹使前缘大部分区域气膜冷却效率降低。     

动静干涉下高压涡轮外环非定常气膜冷却性能分析

为了探索航空发动机高压涡轮外环非定常气膜冷却性能的影响因素及其作用规律，对叶片高速旋转作用下某航空发动 机高压涡轮外环的非定常气膜冷却过程进行了3维数值模拟。应用滑移网格技术实现了涡轮叶片与涡轮外环壁面之间的相对运 动以及转子与静子之间干涉作用的模拟；分析了叶片的旋转作用、吹风比、气膜射流方向、气膜轴向射流角度等因素对高压涡轮外 环非定常气膜冷却性能的影响规律。结果表明：在高吹风比下应防止叶片前缘上游气膜孔冷却裕度不足现象的发生；逆向排布的 气膜孔更适合在高吹风比下使用；当气膜入射角由45°减小为30°时，外环面平均气膜冷却效率时均值增大18.54%，显著提高了涡 轮外环冷却的冷气利用效率。     

亚声速涡轮导叶全气膜冷却特性实验研究

为了获得亚声速涡轮导叶的全气膜冷却特性,在短周期高速风洞中对全气膜覆盖涡轮导叶实验件进行了实验,获得了涡轮叶片表面在不同主流雷诺数(Re=3.0×10~5～9.0×10~5)、二次流质量流量比(MFR=5.5%～12.5%)和主流湍流度(Tu=1.3%,14.7%)下的气膜冷却效率分布。实验叶片前缘有5排复合角度圆柱形气膜孔形成前缘喷淋冷却结构,压力面和吸力面分别有6排和3排圆柱形气膜孔。结果表明:在本文研究的质量流量比范围内,涡轮叶片压力面和吸力面的气膜冷却效率随着质量流量比的增大而减小,而前缘区域的冷却效率随质量流量比的增大而增大;雷诺数的变化主要影响叶片压力面相对弧长S/Smax-0.6区域的冷却效率分布,在高雷诺数(Re=9.0×10~5)下,大质量流量比的冷却效率最高,而在中低雷诺数(Re=3.0×105,6.4×105)下,小质量流量比的冷却效率最高;叶片前缘气膜冷却效率受主流湍流度升高的影响较小,而在压力面和吸力面冷却效率均随着湍流度的升高而降低。     

旋转状态下气膜冷却特性的数值研究

 通过对带有气膜孔倾斜角度为30°,60°和90°圆柱形交错孔排的涡轮叶片模型进行数值模拟,得到了不同平均吹风比、雷诺数和旋转数情况下前缘面侧与后缘面侧的气膜冷却流动与换热特性及各气膜孔流量系数的分配规律。结果表明,冷气受到离心力与哥氏力的共同作用在前缘面侧向高半径处发生偏转,导致壁面冷却效率降低;雷诺数的增大会降低壁面上的气膜冷却效率,高吹风比则不利于紧贴气膜孔下游区域的冷却;各气膜孔的流量系数随着平均吹风比的增大而增大,随旋转数的提高而减小;受哥氏力作用的影响,相同工况下后缘面侧各气膜孔的流量系数明显高于前缘面侧对应气膜孔的值。     

旋转状态下气膜冷却效果的数值研究

为探讨旋转状态下气膜冷却的效果,在不同吹风比和旋转数下,对带有气膜冷却的涡轮叶片进行三维数值模拟,研究了旋转效应对叶片表面冷却效率的影响。结果表明,当叶片旋转时,压力面上的冷却效率增大,吸力面上的冷却效率降低。叶片表面气膜冷却效果随着旋转数的增加而下降。旋转效应对叶片表面冷却效果的影响程度依赖于吹风比。当吹风比增大时,气膜冷却效果随着旋转数的增加而下降的趋势增大。     

亚声速涡轮导叶前缘气膜冷却特性实验研究

为了获得亚声速涡轮导叶的前缘气膜冷却特性,在短周期高速风洞中对涡轮导叶前缘后倾扩张型孔气膜冷却试验件进行了实验,获得了涡轮叶片表面在不同主流雷诺数(Re=3.0×10~5～9.0×10~5)、二次流吹风比(M=0.5～2.4)和主流湍流度(Tu=1.3%,14.7%)下的气膜冷却效率和换热系数分布。实验叶片前缘有8排后倾扩张型气膜孔形成前缘喷淋冷却结构。结果表明:叶片前缘和压力面冷却效率随着吹风比的增大而升高,吸力面冷却效率随着吹风比的增大先升高后降低,最佳吹风比为0.8;在主流雷诺数(Re=3.0×10~5～9.0×105),改变雷诺数对叶片表面冷却效率的分布规律影响较小;叶片表面冷却效率随着湍流度的升高而降低,在小吹风比M=0.5下,高主流湍流度下的平均冷却效率降低50%左右,在M=2.4工况下,高湍流度下的平均冷却效率降低10%左右;叶片前缘冷气出流区域和压力面相对弧长为-0.4S/Smax-0.3的冷气重新贴附壁面区域换热系数比较高;高主流湍流度下,换热系数比较小,且吹风比变化对换热系数比的影响较小。     

旋转状态涡轮叶片吸力面单孔气膜冷却实验

采用稳态液晶测温方法,系统研究了1.5级涡轮叶片吸力面在旋转状态下的气膜冷却特性.实验中,主流经加热压缩后冲击涡轮转动,基于动叶弦长的涡轮进口主流雷诺数为8×104.射流分别采用空气和二氧化碳,其对应射流-主流密度比分别为1.03和1.57.实验转速为630,700 r/min和737 r/min,对应旋转数分别为2.092,2.324和2.448.吹风比从0.3到3.0变化.结果表明,吸力面上,气膜冷却效率随吹风比的增大先上升后下降,存在一个最佳吹风比,使冷却效果最好;增大密度比有利于增加气膜覆盖面积;旋转降低了气膜冷却效率;气膜向低半径方向偏转,但并不十分明显.      

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。     

涡轮叶片前缘气膜冷却换热实验

针对某型涡轮叶片放大模型的前缘冷却结构气膜冷却效果开展了细致的实验研究,利用红外热像仪测量了叶片表面的温度场分布,分析了前缘的气膜孔倾角、吹风比、主流雷诺数等参数对绝热冷却效率和压力损失的影响.实验中前缘的3排气膜孔倾角变化范围是35°~90°,主流雷诺数变化范围是76112~142624,吹风比变化范围是0.44~2.64.结果表明:气膜孔倾角越小,前缘驻点附近的气膜覆盖效果越好;气膜孔倾角为45°的叶片压力损失系数最小,气膜孔倾角为75°的叶片压力损失系数最大;主流雷诺数增大,绝热冷却效率下降,压力损失系数增加;吹风比增大到1.32时,绝热冷却效率达到最大,吹风比再增大绝热冷却效率反而下降.      

涡轮静叶叶型与气膜孔优化对气动与冷却性能影响

为研究气膜冷却涡轮叶片中叶型与气膜孔参数变化对涡轮静叶性能的影响,利用气膜冷却涡轮多目标优化平台对存在多列气膜孔的静叶进行多目标优化.获得在优化变量允许范围内针对气动效率与传热效果以及高温目标函数的Pareto前沿解集,整体性能得到了提高,不同方案中气动效率最高提升0.35%,叶片表面温度最大下降0.74%,高温函数降低的最大幅值为45.71%.结果表明:气动效率提升的主要原因是后弯角的提升使得叶型和二次流损失下降;接近驻点处前缘气膜孔方向的改变导致的冷气分流是叶片根部和前缘附近压力侧的冷却情况得到改善的主要原因.     

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。      

冷却流量变化对叶栅冷却效果影响的数值模拟

采用气流流场与叶栅温度场耦合求解的数值模拟方法,研究了涡轮冷却叶栅前缘附近有冲击冷却结构时冷却流量变化对叶栅冷却效果的影响。计算结果表明:冷却流量增大,冷却气流射入主流场的穿透能力增强,在卵形涡对的诱导下,高温燃气绕过冷却气体并包围住了冷却气流核心区域,使其远离壁面。同时,冷却气体与主流相互作用发生掺混的能力增强,温度很快升高,对叶栅壁面的气膜保护作用降低;冷却流量增大,主冷却腔和冲击冷却腔内部流速增大,换热效应增强,内壁面冷却气流带走的热量加大。     

热冲击后气膜冷却叶片结构强度流固热耦合仿真

研究了冷气流量对气孔周围热应力的影响,为气膜冷却叶片可靠性设计提供参考。改变气孔的孔径,并建立有限元模型,结合有限元/边界元理论,通过流固热三场耦合技术获得热冲击后的叶片最大温度、温度不均衡程度及最大热应力。研究表明:增加冷气量有利于改善叶片冷却效率降低叶片温度,但也会使叶片温度不均衡程度增加,加剧尾缘气孔内的热应力载荷;增加前缘气孔直径可提升66%的平均冷却效率,有利于减缓气孔内的热应力,增加尾缘气孔的直径对冷却效率及热应力的影响均较小。此外,数值计算结果与试验及解析解较为吻合,对于气膜冷却叶片结构设计具有参考价值。      

前缘射流对涡轮导叶吸力面多排气膜孔冷却特性的影响

为了研究前缘射流对吸力面多排气膜孔下游冷却特性的影响,在跨声速风洞中进行了实验并采用热电偶获得了气膜冷却效率和换热系数。叶栅进口雷诺数的范围为2.0×105 ~ 4.0×105,出口等熵马赫数为0.95,叶栅前的湍流度小于5%。前缘布置6排对冲圆柱孔,质量流量比的范围为2.00% ~ 3.71%,吸力面布置4排圆柱孔,质量流量比的范围为2.02% ~ 3.74%。实验结果表明：在没有前缘射流时,吸力面的气膜冷却效率随质量流量比增大先升高后下降,存在前缘射流时,质量流量比对气膜冷却效率的影响较小。对所有的工况而言,质量流量比增大都提高了吸力面的换热系数。相比于没有前缘射流的工况,前缘射流显著提高了吸力面孔排附近区域的气膜冷却效率并略微降低了换热系数;在吸力面后半段,前缘射流显著提高了换热系数而对气膜冷却效率影响较小。总的来说,前缘射流改善了吸力面孔排附近区域的冷却效果,但是恶化了吸力面后半段区域的冷却效果。     

前缘喷淋射流对导叶压力面冷却特性的影响

为了评估涡轮导叶的前缘喷淋射流对压力面多排气膜孔冷却特性的影响,在高亚声速风洞中进行了实验,获得了有无前缘喷淋射流时叶片表面的气膜冷却效率和传热系数。叶栅进口雷诺数(基于叶片弦长)范围为2.0×105~4.0×105,出口等熵马赫数为0.95,叶片前缘和压力面分别都包含6排圆形孔,质量流量比的范围分别为2.46%~4.57%和2.00%~3.71%。实验结果表明:在没有前缘喷淋射流时,压力面前半段的气膜冷却效率受质量流量比的影响较小,而后半段的气膜冷却效率随着质量流量比升高而增大。前缘喷淋射流使压力面多排气膜孔的冷却效率提高了20%~70%,并且使气膜冷却效率沿流向分布更均匀。不论是否有前缘喷淋射流,压力面的传热系数比都随质量流量比升高而增大,沿流向看,前缘喷淋射流提高了压力面前缘和尾缘区域的传热系数比而对压力面中间区域影响较小。     

气膜孔布局对前缘气膜冷却效率影响的实验

针对叶片前缘结构的特点,建立了前缘气膜冷却实验台,实验模型由半圆柱面和两个平板组成,在距离滞止线2倍气膜孔直径距离位置布置了1排气膜孔。主流在前缘的湍流度为8%,二次流和主流密度比为1.5,动量比变化范围为0.5~4,分析了在不同动量比下气膜孔间距和径向角变化对径向平均气膜冷却效率的影响。径向角分别为0,°45,°65,°孔间距与孔径的比分别为2,3,4。研究结果表明,随着孔间距的增加,径向平均冷却效率逐渐降低。径向角对径向平均冷却效率的影响非常复杂。     

涡轮叶片前缘复合冷却实验

为研究涡轮叶片复合冷却传热特性,建立了涡轮叶片复合冷却实验测试平台,对叶片前缘区域进行了射流冲击+气膜冷却实验测试,详细研究了冷气吹风比M、前缘位置、主流雷诺数Re以及温度比T_g/T_c对冷却效率的影响规律。实验结果表明,冷却效率随吹风比的增大而增大,随T_g/T_c的增大而减小。本文实验条件下, 最佳吹风比约为1.0;越靠近前缘驻点,冷却效率越大;主流雷诺数对冷却效率的影响不大,但总体上仍表现出雷诺数越大,冷却效率越高。