高超声速气膜冷却技术研究进展及发展方向

随着飞行器速度的进一步提高以及对可重复使用飞行器的需求,高超声速气膜冷却技术已经成为航空航天技术发展的热点问题。开展高超声速飞行器主动气膜冷却技术研究,对于解决高超声速飞行器面临的热防护问题,突破防热技术瓶颈,有十分重要的意义。本文在对主动冷却热防护技术原理、分类及其机制进行系统研究的基础上,从实验研究和数值模拟两个维度,对二维槽缝气膜孔工艺、离散气膜孔工艺和高超声速逆向喷流技术等高超声速气膜冷却技术以及影响气膜冷却效果的因素的研究现状进行了梳理和分析,进而提出了高超声速气膜冷却技术的防热材料研制、材料制备工艺、多气膜孔特性实验研究、逆向喷流气膜孔冷却技术实验验证等研究方向。     

航发涡轮叶片气膜孔的磨削加工实验

针对目前航空发动机涡轮叶片气膜孔加工精度低和重熔层难去除的问题,提出了"电火花打孔、磨削扩孔"的新型气膜孔加工工艺,研制出小孔磨削专用微细CBN砂轮并对电火花气膜孔进行了磨削工艺实验。实验结果表明:经磨削加工后气膜孔圆度降低50.9%,孔径尺寸标准差降低90.7%,表面粗糙度降低65.9%,重熔层被全部去除,证明了航发涡轮叶片气膜孔磨削加工的可行性。     

叶片气膜孔加工与测量技术的现状及发展趋势

高推重比航空发动机普遍采用气膜冷却技术,叶片气膜冷却孔的加工精度直接影响发动机效能。气膜冷却孔具有孔径小、数量多、深径比高、空间角度复杂的特点,其加工难度大、成形精度要求高。针对当前国外对叶片气膜孔加工技术与装备的严格保密,以及国内气膜孔加工中存在的几何精度偏低、质量不稳定的现状,对气膜孔加工的现状及发展趋势进行归纳总结,为气膜孔加工技术与装备的发展提供参考。首先,概述了叶片气膜孔精确加工的必要性及其重要性,分别介绍了现有气膜孔的加工方法,分析了当前加工方法存在的问题与面临的挑战。鉴于气膜孔精密测量的需要,介绍了现有的气膜孔测量技术。最后,根据气膜孔加工与测量的技术现状及关键核心问题指出了气膜孔加工与测量技术的发展趋势。     

涡轮导向叶片气膜孔的加工

介绍了中推预研核心机涡轮导向叶片气膜孔的激光加工工艺，主要讨论了叶身的定位与夹紧，激光打孔孔位进给量的计算以及主要激光参数的选择。     

气膜冷却孔电加工工艺与装备技术研究

面向航空发动机热端涡轮叶片上气膜冷却孔加工,报道了近10年来的气膜冷却孔电火花加工研究现状,并阐述了在解决复合材料(高温合金基体+陶瓷热障涂层)、复合结构(圆形孔段+扩散结构)、表面低/无损伤的气膜冷却孔加工问题上的研究尝试,侧重在电加工工艺与装备技术方面的创新思想和研究进展.研发出功能主轴头、高能量密度脉冲电源、加工...     

镍基单晶材料皮秒级超短脉冲激光气膜孔加工表面完整性研究

利用皮秒超短脉冲激光加工镍基单晶材料气膜孔,采用物理超景深显微镜对气膜孔成型几何形貌进行判定,采用金相显微镜对气膜孔内腔表面组织进行观测,采用高温低周疲劳设备对皮秒超短脉冲激光和电火花两种工艺加工出的气膜孔试样进行性能对比验证,采用扫描电镜对性能试样断口进行分析。结果表明:采用皮秒超短脉冲激光分步加工气膜孔,通过有效控制能量密度,可实现气膜孔进出口表面无烧蚀,几何精度满足设计指标,内腔无重熔层、断续小珠、起弧及微裂纹等缺陷,有效提升了气膜孔加工的表面完整性;通过皮秒超短脉冲激光及电火花气膜孔加工试样高温低周疲劳性能对比试验,皮秒超短脉冲激光制孔试样循环次数是电火花制孔试样的3倍;通过对两种工艺制孔高温低周疲劳断裂后试样进行扫描电镜断口分析,两种工艺加工试样断裂均为解理断裂,无材质冶金缺陷,电火花打孔形成的重熔层可能对断裂有贡献,超短脉冲激光打孔未见明显重熔层。     

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。     

利用上游斜坡改善气膜冷却效率的数值研究

为了获得气膜孔上游放置斜坡对气膜冷却效率的影响规律,采用数值模拟方法研究了斜坡的台阶高度分别为0.3D,0.5D,0.75D,1.0D和1.5D时不同吹风比下的流动过程和冷却效率分布情况,并与常规气膜孔冷却结构形式进行对比,以揭示斜坡对气膜冷却效率改善作用的影响机理。研究表明,在气膜孔上游设置斜坡,延缓了主流通过反向涡对对冷却气流的掺混作用,反向涡对强度减弱,冷却气流出流后的贴壁效果更好,提高了气膜冷却效率,随着吹风比的增加,斜坡高度较高时无论是在气膜孔中心线处还是在两气膜孔之间区域的冷却效率值都得到大幅度的提高。     

先进气膜孔形研究综述

利用气膜冷却技术可以大幅提高涡轮叶片的承温能力.针对气膜冷却技术,对比国内外已有气膜孔形,详细介绍了热主流与二次流交互作用机理,分析了冷气展向分布如何影响气膜质量,总结了气膜冷却技术对航空发动机性能的影响.从交互流场、气膜孔形、孔附属结构(突片、斜坡)和气膜孔排布方式4个方面展开详细探讨.得到提升气膜冷却效率的4个主要...     

燃烧室壁面鳞片型气膜孔流动与冷却机理分析

为了研究某型发动机燃烧室内的鳞片型气膜冷却孔流动及冷却机理,采用平板模型及燃烧室模型进行数值模拟研究,揭示鳞片型气膜冷却孔对燃烧室壁面冷却特性及燃烧特性的影响。结果表明:鳞片型气膜孔的鳞片结构有利于消除外卷对涡,增强气膜展向动量,具有较好的气膜冷却效率和展向覆盖特性;鳞片型气膜孔结构能有效降低冷气流量,提升冷却性能,应用鳞片气膜冷却孔的燃烧室壁面气膜冷却效果更优于应用平圆孔的;应用鳞片气膜冷却孔的燃烧室出口温度分布系数(Out let Temperat ure Di st r i but i on Fact or,OTDF)较低。     

涡轮叶片先进气膜冷却与相关激光打孔技术进展

航空发动机涡轮叶片依赖于高温基体、热障陶瓷涂层和气膜冷却技术实现高的工作温度,进而实现高的燃油效率和推重比.介绍了气膜冷却技术的演化趋势,并通过猫耳异型孔与直圆孔的仿真对比,指出复杂异型气膜孔的重要性.进一步论述了单步加工异型孔的必要性和工艺方案,指出为解决单晶叶片异型孔加工难题,超短脉冲激光加工虽然成为研究热点,但水助激光加工更应该引起重视.     

利用小孔射流改善气膜冷却效率的数值研究

为了获得气膜孔下游放置一对射流小孔对气膜冷却效率的影响规律,采用数值模拟方法研究了不同吹风比下射流小孔出口位置尺寸不同时流动过程和冷却效率的分布情况,并与常规气膜孔冷却结构形式进行对比,以揭示小孔射流改善气膜冷却效率的作用机理.研究表明:在常规气膜孔下游开两个射流小孔后,两射流小孔分别产生一个较弱的与气膜孔反向涡对方向相反的反向涡对,反向涡对的相互作用减弱了气膜孔反向涡对的强度,使气膜的贴壁效果更好,提高了气膜孔的冷却效率.在各吹风比条件下,气膜孔下游有射流小孔时,冷却效率都有一定的提高,并且射流小孔间距较大时对两气膜孔中心线之间的横向平均冷却效率改善较大,吹风比较大时,效果更明显.      

航空发动机叶片气膜孔测量技术研究

基于航空发动机叶片冷却气膜孔的设计、加工和国家＂十一五＂计量科研项目的技术攻关及检测试验研究,本文简要介绍了叶片气膜孔位置度检测技术的思路、途径和方法,力求解决叶片气膜孔加工中的量值传递或溯源的难题,使我国在叶片等空间曲面小孔测量领域实现重大突破。     

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。      

内部冲击和外部气膜的组合特性研究

利用数值模拟的方法研究了一种外部稀疏气膜和内部冲击复合的导向器叶片冷却结构.研究的重点是气膜孔和冲击孔的相对位置以及气膜孔直径对叶盆和叶背冷却效率的影响规律, 并对叶盆区域和叶背区域的综合冷却效率和热均匀性做了讨论.计算表明:在计算所选取的参数范围内, 气膜孔直径的增大提高了叶盆区域的综合冷却效率, 而对叶背区域的影响规律则较为复杂;综合考虑叶盆叶背的冷却效率和热均匀性, 气膜孔的位置在单元腔的前部时冷却效果最好.      

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.      

平板圆孔气膜冷却的热弹耦合分析

分析了带圆孔的平板这一基本的冷却结构的热弹耦合特性,研究了定常状态下影响热应力的因素.采用了多场耦合的计算方法预测并分析了平板圆孔气膜冷却的热应力分布,系统地分析了入射角、复合角和吹风比对热应力的影响.结果表明:平板内整体热应力远小于气膜孔周边的热应力,热应力主要集中在气膜孔前缘线和尾缘线附近,而气膜孔两侧的热应力仍保持较低的水平;施加于气膜孔的内力垂直于气膜孔的轴线.吹风比越大,气膜孔附近的温度梯度就越大,从而气膜孔的前缘线和尾缘线的热应力更加集中.入射角越小,气膜孔周边的热应力越大,而且热应力会更加集中在气膜孔出口的前缘点和入口的尾缘点上.复合角的存在有助于弱化热应力集中.      

航空发动机燃烧室冷却结构的发展及浮动壁结构的关键技术

随着航空发动机燃烧室性能的提高,燃烧室火焰筒热防护问题显得越来越突出.燃烧室内采用浮动壁结构可以减小壁面热应力,改善火焰筒的受力状况.介绍了火焰筒冷却结构的发展历程,包括气膜冷却、多斜孔冷却和多孔层板冷却,并对它们的优缺点进行了阐述;分析了浮动壁冷却结构的发展状况、技术特点和在浮动壁结构基础上采用冲击/发散气膜复合冷却结构的效率;阐述了浮动壁结构的关键技术（材料、制造工艺和冷却结构特征等）;展望了冷却结构和浮动壁火焰筒在未来航空发动机中的应用.     

渐扩后倾肩臂孔平板气膜冷却特性数值模拟

为进一步改善气膜冷却效果,提出了渐扩后倾肩臂孔的构型。对圆形孔、扩张孔、原肩臂孔和渐扩后倾肩臂孔的平板气膜冷却特性进行数值计算研究,主要分析了各孔型在吹风比0.5~2.0情况下的展向平均气膜冷却效率。研究表明:采用渐扩后倾肩臂孔的平板模型可提高展向平均气膜冷却效率,在各吹风比方案下气膜冷却性能均优于其它三种孔型,扩张孔方案气膜冷却性能次之,原肩臂孔方案略优于圆形孔方案。对吹风比2.0情况下各孔型方案的流场和被冷却壁面气膜冷却效率分布对比得知,渐扩后倾肩臂孔与扩张孔出流口下游截面中心处的流场及温度场相似,但渐扩后倾肩臂孔两侧的出流小孔对中心的肾形涡有一定的抑制作用,从而使渐扩后倾肩臂孔中心线附近的绝热气膜冷却效率也比渐扩孔还要高。圆形孔数值计算结果与试验数据对比的一致性验证了计算模型的可靠性。     

气膜孔局部堵塞对叶片压力面冲击-扰流柱-气膜结构综合冷却效率的影响

运用数值模拟方法研究了气膜孔局部堵塞对叶片压力面上射流冲击-扰流柱-气膜结构综合冷却效率的影响,重点分析了堵塞位置和堵塞比的影响。研究结果表明：无论是气膜孔内无堵塞还是存在局部堵塞情形,随着吹风比增大,综合冷却效率均呈现逐渐增大的趋势;在低的吹风比下,气膜孔出口-尾缘局部堵塞的综合冷却效率略低于无堵塞气膜孔,而在气膜孔进口-前缘和气膜孔出口-前缘的局部堵塞则导致综合冷却效率有较为轻微的上升;在高吹风比下,位于气膜孔出口-前缘和气膜孔进口-前缘的局部堵塞能够抑制气膜射流与主流相互作用所形成的卵形涡,从而冷却效率下降较少,而气膜孔出口-尾缘的局部堵塞则导致综合冷却效率降低较多;堵塞比对壁面沿程综合冷却效率的影响呈现非单调的变化趋势,这是由于冲击-扰流柱-气膜整体式冷却结构的冷却效果取决于内部强化传热和外部气膜防护的多重作用机制。