气冷涡轮前缘冷气射流角度优化研究

为了研究复合角度的圆形气膜孔对涡轮叶片冷却效果和气动性能的影响,利用SST的k-ω模型对涡轮叶栅进行数值模拟,对前缘区域冷却孔进行复合角度优化设计,给出前缘滞止线附近和吸力面改型前后的冷却特性分析。结果表明圆形气膜孔的复合角度对冷却和气动的影响明显,在前缘压力面,侧向角分别为85°,60°和45°,冷气在前缘处改变滞止点的位置,切向速度增大,冷却效果显著增强。在前缘吸力面上,冷却孔的入射角从45°变为30°,侧向角由-15°改为0°和30°,冷气与主流掺混减弱,壁面冷却效率增大,同时影响近壁面的主流从而改变流场结构。     

次孔方位角对单入口-双出口孔射流气膜冷却效率影响

为了探讨次孔方位角对单入口-双出口孔射流气膜冷却效率的影响,利用商业软件提供的有限体积法求解Navier-Stokes方程,对次孔方位角分别为30°,45°,60°和90°的单入口-双出口孔射流冷却效率进行数值模拟.吹风比变化范围为0.5~2.0.研究了流场、气膜冷却效率和径向平均气膜冷却效率的变化规律.结果表明,相对于圆柱孔,单入口-双出口孔射流气膜冷却效率明显改进.基于气膜冷却效率的最佳次孔方位角度为45°,高于圆柱孔射流气膜冷却效率300%.吹风比越大,次孔方位角对气膜冷却效率的影响越明显.      

射流角与吹风比影响涡发生器强化气膜冷却性能的实验研究

为了研究了射流角度和吹风比等关键参数对涡发生器强化气膜冷却性能的影响规律,采用热电偶测温和粒子成像测速(Particle Image Velocimetry,PIV)技术,在搭建的气膜冷却实验台上对三种不同射流角度(α=20°,30°,40°)的带涡发生器和不带涡发生器等六种结构在三种不同吹风比(M=0.5,1.0,1.5)下的壁面气膜有效度分布及中截面流场结构进行了研究。结果表明:涡发生器的引入能显著提高气膜冷却性能,面平均气膜有效度最高提升达249%;不带涡发生器结构的气膜冷却性能随吹风比及射流角增大均呈现降低趋势;20°和30°射流角情况,带涡发生器结构的气膜冷却性能随吹风比增大而逐渐增大,而对于40°射流角则反之;M=0.5情况下,带涡发生器结构的气膜冷却性能随射流角增大而略微增大,在M=1.5情况下,规律相反,而在M=1.0情况下,射流角度基本无影响。     

逆压力梯度下几何参数对气膜冷却效率的影响

采用放大模型在低速回流式风洞中进行了实验,研究了逆压力梯度下圆柱形孔、扇形孔和双向扩张形孔的气膜冷却效率,分析了孔间距、前倾角和径向角等几何参数对气膜冷却效率的影响.结果表明:扇形孔的气膜冷却效率最大,双向扩张形孔次之,圆柱形孔最小.孔间距越小,气膜冷却效率越大,且动量比越小,孔间距的影响越大.前倾角越小,气膜冷却效率越大,动量比越大,前倾角的影响越大.径向角的影响较复杂,小于30°且递增时,气膜冷却效率随动量比的增大而减小;大于30°时,气膜冷却效率随径向角的增大而减小.      

孔排布局对叶片前缘气膜冷却的影响

采用放大的半圆柱状表面模拟涡轮叶片前缘的形状,对叶片前缘单排及两排圆柱形孔的气膜冷却效率进行了测量。试件表面交错地开有 6排孔,以驻点为起点,位置分别在± 1 5°,± 4 0°及± 60°处,各排孔的孔间距均为 3个孔径,孔轴线与表面在展向及流向的夹角分别为 30°及 90°,孔长与孔径比为 4。主要对比研究了 3种单排气膜孔不同孔排位、3种两排气膜孔不同孔排位及 1种三排气膜孔的布局对孔排下游冷却效率的影响。结果表明 :在同样二次流流量条件下,冷却效果好的单排孔位置依次为 60°,4 0°,1 5°,冷却效果最好的两排孔位置组合为 ( 40°,60°)。结果还表明 :在较大的二次流流量条件下,采用单排孔、两排孔或三排孔冷却方案对孔排下游的冷却效果影响不大;但在较小的二次流流量条件下,从冷却效果看,较好的孔排冷却方案依次为 :三排孔、两排孔及单排孔。实验参数范围是 :主流雷诺数 Re=4 2 0 0 0～ 1 2 70 0 0,平均吹风比 M =0.5～ 2.0     

致密多孔壁冷流入射角对冷却效果影响的数值研究

采用数值模拟方法研究了冷气流的入射角对致密多孔壁冷却效果的影响 ,通过 9个算例分析比较入射角为 3 0°,60°和 90°情况下的冷却效果 ,在每个入射下吹风比M分别取为 0 .5 0 ,1 .0和 2 .0。结果表明 :随入射角的增大 ,冷却效果是降低的。无论M为何值 ,入射角为 3 0°和 60°时 ,整个平壁上冷却效果的分布都很相似 ;而入射角为 90°时冷却效果的分布则不然 ,虽然与前者比较起来其冷却效果最差 ,但与常规气膜冷却相比 ,入射角为 90°时的冷却效果值仍然很高      

不同排列方式多斜孔壁气膜冷却绝热温比研究

采用传热传质类比方法实验研究了4种孔阵排列方式(顺排、叉排、顺排+复合角及叉排+复合角)下多斜孔壁气膜冷却绝热温比。小孔与壁面夹角为30°,复合角为45°,孔阵排距比8.0,侧向间距比4.0,吹风比为1.94.比较了各排列方式孔阵绝热温比的分布规律,得出了较优的孔阵排列方式。      

双向扩张型孔射流角度对气膜冷却特性影响的实验

设计了气膜冷却实验台,测量了单排7个气膜孔的平均换热系数和冷却效率.气膜孔倾角为20°,45°和90°,孔间距P/d=3.动量比变化范围为1～4.重点研究主流零压力梯度下动量比和孔倾角对换热系数比和冷却效率影响.结果表明,动量比的增加使换热系数比和冷却效率都增加,随着倾角增加,动量比对冷却效率的影响减弱;倾角对换热系数比的影响非常复杂,倾角的增加使冷却效率减小.倾角20°的冷却效率明显高于倾角45°和90°的冷却效率.      

不同射流角下等离子体激励对平板气膜冷却影响的数值研究

采用大涡模拟（LES）方法对有/无等离子体激励条件下不同射流角时的平板气膜冷却流场进行了对比研究。结果表明:随着射流角的增大,冷却射流对主流的穿透率与气膜孔下游回流区的范围增大,发卡涡的强度及其抬升射流的能力增强并远离壁面,导致气膜冷却效率降低,但射流角为90°时部分低能冷却流体会进入回流区引起气膜冷却效率升高,故气膜冷却效率在射流角为35°时最大,在射流角为60°时最小;等离子体激励削弱了冷却射流对主流的穿透率,其下拉诱导作用也使得发卡涡头部受到的库塔 儒科夫斯基升力以及水平涡腿间的相互诱导力减小,抑制了发卡涡的发展并促使其破碎为近壁条带结构,从而提高了气膜冷却效率,且射流角越小,上述作用效果越明显,当射流角为35°时中心线气膜冷却效率提高了55%。      

二元塞式矢量喷管塞锥尾缘冷却及红外辐射抑制效果

运用数值模拟方法,在主流总温920K、冷却空气总温470K的参数条件下,对比分析了塞锥尾缘气膜孔开孔率(1%~4%)、冷却空气用量(4.3%主流质量流量以内)和矢量偏转角(0°~20°)对二元塞式喷管塞锥尾缘冷却和红外辐射的影响。结果表明塞锥尾缘气膜冷却可以有效降低表面温度和喷管红外辐射强度,开孔率为2%的气膜孔阵列的表面降温效果相对较优;冷却空气质量流量比超过2.85%时,塞锥表面温度降低幅度随冷却质量流量比的变化趋于减缓,当冷却空气质量流量比为2.85%时,水平探测面±30°探测角内红外辐射强度相对无冷却喷管下降50%左右,铅垂探测面上气膜冷却表面降温对红外辐射强度的抑制效果更为显著;矢量角对于壁面温度分布影响很小,但对红外辐射强度空间分布具有重要的影响。     

孔内“喷射现象”影响气膜冷却流动传热机理

为了揭示气膜孔内不同“喷射现象”对气膜冷却流动传热的影响,在相同射流角基础上选取7种不同进气角的冷气腔以改变气膜孔内的“射流效应”,并对7种冷气腔在不同吹风比条件下进行了对比研究。结果表明:当进气角不为0°时,不同进气角会在气膜孔内产生不同的“喷射现象”。低吹风比时不同进气角的气膜冷却效率相差不大。随着吹风比的增加,不同进气角时的冷却效率存在很大差别。在吹风比为1.5,进气角不大于0°时冷气在孔外形成了强肾形涡;而当进气角大于0°时冷气在与高温主流相互作用后,上游低动量区的冷气会绕开下游高动量区冷气后贴附壁面,增大涡对之间的距离从而减弱相互增强的效应。相对于原始冷气腔,在吹风比为1.5,进气角为15°和30°时的平均气膜效率分别提高了约130%和70%。      

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。      

旋转对弯扭涡轮叶片前缘气膜冷却的影响

基于热色液晶(TLC)测温技术,开展了转速(攻角)和吹风比对弯扭涡轮叶片前缘区域气膜冷却效率分布影响的实验研究。实验中涡轮转速分别为400 r/min(正攻角)、550 r/min(零攻角)和700 r/min(负攻角),平均吹风比为0.5~1.25。冷却工质采用氮气,对应的射流-主流密度比为1.04。基于涡轮动叶弦长的涡轮出口主流雷诺数为60 800。实验结果表明:转速是决定涡轮叶片前缘气膜冷却效率分布最重要的参数之一。随着转速的增大,滞止线的位置会从压力侧(PS)移动到吸力侧(SS)。当吹风比相同时,面平均气膜冷却效率随转速的增大而逐渐增大;当转速相同时,面平均气膜冷却效率随吹风比的增大而增大。      

多斜孔壁整体冷却效率实验研究

采用近似模化技术,研究了多斜孔壁的整体冷却效率。试验了五种多斜孔壁结构形式,探讨了影响整体冷却效率的各种因素。研究结果表明:多斜孔壁绝热温比、多斜孔内部对流换热以及几何结构是影响该冷却方式的关键因素。本研究对多斜孔壁冷却形式的设计和优选,尤其在几何结构参数的确定方面,具有重要意义。      

不同倾斜角多斜孔壁冷却方式绝热温比研究

对具有不同倾斜角多斜孔壁冷却方式绝热温比进行了研究。研究方法为传热传质类比实验方法。多斜孔壁由多斜孔试验板模拟。多斜孔试验板中小孔方向与主流夹角为0°,小孔与板表面夹角分别为30°,45°及150°.各多斜孔板的孔排距比与孔间距比保持一致。实验结果反映了不同孔倾斜角对多斜孔壁冷却方式气膜绝热温比的影响。并讨论了在航空发动机中采用多斜孔壁冷却方式时选择孔倾角的考虑。     

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。     

耦合传热下激波对超声速气膜冷却影响

针对离散孔式超声速平板气膜冷却，在主流区引入楔角形成激波环境，以研究激波与超声速气膜之间的相互作用。通过计算楔角在0°、15°、20°和25°产生的四种激波强度下，超声速气膜与高温壁面的耦合传热。所得结果表明：适当强度的激波能够抑制气膜入射后产生的反向涡旋对，降低主流对气膜的卷吸，增大壁面平均H2摩尔分数并降低壁面温度。对金属层温度场的分析表明，壁面冷却效果随着激波角的增加而先增加后降低，其中楔角为20°时的流场结构最有利于壁面温度保护。小楔角生成的激波在低冷流马赫数下对冷却效果的改善更明显，大楔角则在高冷流马赫数下更明显，热障涂层（TBC）不影响这种变化趋势；激波的存在削弱了TBC的影响范围。可以揭示超声速气膜在耦合传热条件下的传热机理，为超声速气膜冷却的设计提供参考，或为现有超声速气膜冷却结构的优化提供依据。     

不同来流条件下旋转对气膜冷却的影响

大涡模拟考察了旋转状态来流条件对单孔平板气膜冷却的影响,气膜孔沿流向倾斜30°,气膜出流的雷诺数为2 600,吹风比为0.5,计算了静止和旋转数为0.02时气膜冷却的流动和换热,对比两种主流进口条件下旋转对气膜冷却的影响。计算结果表明：（1）均匀来流条件下,旋转主要使发夹涡结构产生非对称分布,裹挟气膜向高半径方向偏转;（2）充分发展的来流条件下,旋转使来流边界层内产生湍流结构,淹没了射流进入主流时产生的发夹涡,引起更强烈的射流扩散,增大了气膜覆盖范围,降低了气膜冷却效率的峰值;（3）旋转通过改变来流边界层内的湍流结构对气膜冷却的影响更显著。     

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。