不同叶片尾缘结构对流换热特性实验

为了研究不同叶片尾缘结构对对流换热系数的影响规律,设计了三种尾缘结构,并搭建了实验台,采用红外热像仪对叶片尾缘的壁温进行测量。研究结果表明,（1）三种尾缘结构的对流换热系数沿壁面的分布有很大差异,针对实验件I,对流换热系数存在一最大值,且最大值出现的位置随着吹风比的增加而逐渐远离气膜出口;（2）实验件II和III的对流换热系数沿壁面均呈现逐渐降低的趋势,但降低的规律二者又不相同;（3）在相同壁面位置,实验件III的对流换热系数最高,而实验件I的对流换热系数最低,因此可以认为,实验件III所示的尾缘结构更有利于对叶片尾缘更好的冷却。     

紧凑凸肋通道对尾缘劈缝气膜冷却特性的影响

以稳态压敏漆技术和瞬态热色液晶技术为测量方法，实验研究了尾缘区域凸肋内冷供气通道对外部气膜冷却特性的影响，详细对比分析了直肋间距和吹风比对尾缘劈缝扩张表面的气膜冷却效率、对流换热系数和劈缝流量系数的影响，并引入热流密度比来衡量对比紧凑凸肋通道对劈缝表面的综合冷却效率增强性能。实验结果表明：劈缝流量系数受吹风比的影响较小，随肋间距的增大而减小；凸肋通道明显加强了射流的混乱程度，导致其与主流掺混程度加剧，降低了劈缝表面远下游区域的气膜冷却效率，小肋间距结构气膜冷却效率略高于大肋间距结构，随着吹风比的增大，凸肋通道结构与基准结构的气膜冷却效率差异减小；凸肋通道结构可提升基准结构缝出口区域的低换热性能，尤其对于小肋间距结构，大吹风比时，缝出口的换热核心区沿流向延伸效果增强；具有小肋间距的凸肋通道对尾缘劈缝的综合冷却性能有促进作用，其中肋间距p/h=4结构可提升15%～20%的综合冷却性能，而大肋间距结构明显降低了基准结构的综合冷却性能。     

斜劈缝涡轮导向叶片尾缘出流气体流动特性数值分析

通过RNG k-ε湍流模型求解可压流的N-S方程,研究燃气轮机涡轮导向叶片尾缘劈缝出流冷气的流动情况。对斜劈缝涡轮叶片的尾缘部分建立了二维模型,根据航空发动机工况设置边界条件并进行数值模拟。研究表明,由于外流和叶片叶盆尾缘厚度的影响,叶盆尾缘端部形成局部回流,叶片尾缘劈缝气体流出后受压力梯度的影响先抬起与叶背面分离,在流过一段距离后由于跨音速流膨胀波的作用,冷气流再次附着在叶背尾缘上。文章讨论了涡轮叶片叶盆不同尾缘厚度、倾斜角度、几何造型对尾缘劈缝处流体流动特性的影响,对比了不考虑外流流动影响时尾缘劈缝处流动情况的影响。      

V肋对尾缘劈缝气膜冷却特性的影响

采用压敏漆技术和瞬态热色液晶技术研究了V肋对尾缘劈缝表面气膜冷却特性的影响,获得了不同吹风比及V肋宽度下2种不同尾缘劈缝表面形状的气膜冷却效率和对流换热系数分布的试验数据,并采用净热流密度值评估对比了带有V肋的劈缝结构的综合冷却性能。试验结果表明：V肋的加入对未扩张型劈缝表面的气膜覆盖产生了不利影响,在小吹风比工况下,V肋宽度对面积平均气膜冷却效率无明显影响,相同V肋宽度结构下,未扩张型劈缝表面的气膜冷却效率始终高于扩张型劈缝表面的;V肋宽度对劈缝表面换热强度的影响不明显,V肋在未扩张劈缝表面结构上展现出的强换热性优于扩张型劈缝表面结构;带有V肋的尾缘劈缝冷却结构可有效增大6.9%~26.6%的净热流密度值,V肋宽度对其无明显影响,小吹风比工况下宜将V肋应用于未扩张的劈缝表面结构,大吹风比工况下无需考虑劈缝表面形状。     

密度比对涡轮叶片表面气膜冷却换热系数的影响

 采用放大的叶片模型,利用大尺寸低速线性叶栅风洞进行试验,测量了涡轮工作叶片表面不同位置处气膜孔下游叶片表面的换热系数,研究了不同吹风比、密度比和雷诺数的影响。风洞试验段由3个叶片组成,其中中间的叶片为试验叶片。试验叶片表面上开有6排气膜孔,其中吸力面1排,前缘区3排,压力面2排。试验结果表明：密度比对叶片表面气膜孔下游换热系数有影响,以往采用空气作为主流及二次流,在低温差下进行试验,所获得的叶片表面气膜孔下游的换热系数在用于涡轮叶片气膜冷却的实际设计时,必须进行修正。     

流量分配对尾缘通道流动换热特性的影响

采用数值模拟方法,研究了不同进气比条件下双向进气叶片尾缘通道的流动与换热特性。结果表明,整个尾缘通道的全局平均换热强度随着进气比的增加而增大。小进气比情况下,尾缝出口流量沿径向分布较均匀,整个通道的对流换热都较弱,其中中间隔板附近对流换热最弱。大进气比情况下,尾缝出口流量分布沿径向变化较大,在通道顶部区域分布较多,通道顶部区域对流换热最强,中间隔板附近对流换热有所改善。     

涡轮叶片尾缘通道中纵向肋对换热特性的影响

采用冷凝水蒸汽的实验方法,测量三种不同类型纵向肋对叶片尾缘通道的换热影响.系统的研究了孔径为2.6mm的带孔平肋,波峰孔径为3mm、波谷孔径为2.2mm的波浪肋,和不带孔平肋之间的换热和流阻比较,实验结果表明:当Re<20000时,波浪肋的换热优于带孔平肋,当Re>50000时,波浪肋换热不及不带孔平肋.且波浪肋流阻远低于不带孔平肋和带孔平肋.      

扰流柱对叶片尾缘对流换热特性的影响

为了研究扰流柱对涡轮叶片尾缘对流换热特性的影响规律,设计了4种不同结构的扰流柱,采用红外热像仪分别对不同形状和排列方式的扰流柱对叶片尾缘气膜冷却特性的影响规律进行了实验研究.研究结果表明,在吹风比较低时,水滴I型扰流柱叶片尾缘的对流换热特性较好;吹风比较大时,圆柱型扰流柱叶片尾缘的对流换热特性较好,水滴Ⅱ型扰流柱叶片尾缘的对流换热系数最小.      

下缘板孔对涡轮叶片尾缘内冷通道流动换热影响的数值研究

涡轮叶片下缘板出气孔对内冷通道的流动和换热性能有较大影响。通过数值模拟方法研究下缘板出 气孔对尾缘和下缘板双路出气涡轮叶片尾缘内冷通道内的流动和换热特性,对比分析孔径、孔形和孔位置对尾 缘溢流孔流量系数、尾缘出流比、尾缘通道内总压系数和尾缘内冷腔壁面换热特性的影响。结果表明:下缘板 出气孔孔径对流量系数分布的影响显著,孔径增大,尾缘溢流孔流量系数下降,尾缘出流比减小,尾缘内冷通道 内压力损失降低,内冷腔平均换热系数增大;孔形对上游内冷通道内流动和换热几乎没有影响;孔位置变化对 内冷通道壁面整体的换热系数影响很小,对局部影响较大。     

二氧化碳射流下孔型对气膜冷却特性影响的实验研究(英文)

This article presents the data about heat transfer coefficient ratios, film cooling effectiveness and heat loads for the injection through cylindrical holes, 3-in-1 holes and fanned holes in order to characterize the film cooling performance downstream of a row of holes with 45° inclination and 3 hole spacing apart. The trip wire is placed upstream at a distance of 10 times diameter of the cooling hole from the hole center to keep mainstream fully turbulent. Both inlet and outlet of 3-in-1 holes have a 15° lateral expansion. The outlet of fanned holes has a lateral expansion. CO2 is applied for secondary injection to obtain a density ratio of 1.5. Momentum flux ratio varies from 1 to 4. The results indicate that the increased momentum flux ratio significantly increases heat transfer coefficient and slightly improve film cooling effectiveness for the injection through cylindrical holes. A weak dependence of heat transfer coefficient and film cooling effectiveness, respectively, on momentum flux ratio has been identified for the injection through 3-in-1 holes. The in- crease of the momentum flux ratio decreases heat transfer coefficient and significantly increases film cooling effectiveness for the injection through fanned holes. In terms of the film cooling performance, the fanned holes are the best while the cylindrical holes are the worst among the three hole shapes under study.     

涡轮叶片尾缘复合通道中隔板结构对换热特性的影响

采用热色液晶测温法,测量了涡轮叶片尾缘带隔板的复合通道的温度场。主要讨论了在通道其它结构均相同的条件下分别采用4种不同结构的隔板(2种孔径的矩形隔板与2种孔径的波形隔板),研究隔板中孔径大小对通道换热和流阻的影响。结果表明:矩形隔板中将矩形隔板上的孔由原来的1.8mm放大到2.5mm(即出流孔的总面积放大一倍)后提高了通道的换热,降低了流阻;波形隔板中将隔板由波谷孔径1.5mm、波峰孔径2.1mm分别放大到波谷孔径2.1mm、波峰孔径3.0mm后对换热没有提高;矩形隔板与波形隔板比较的情况下,波形隔板的换热均高于矩形隔板,而且流阻较低。      

涡轮叶片尾缘冷却特性数值研究

为了研究不同叶片尾缘结构对气膜冷却效果的影响规律,设计了三种尾缘结构,采用数值模拟的方法分别对其冷却效果进行了研究。研究结果表明:(1)三种尾缘结构的冷却效率沿壁面的分布有很大差异,针对模型Ⅰ,在小吹风比时,冷却效率沿尾缘壁面逐渐减小;而在大吹风比时,冷却效率呈现逐渐升高的趋势;(2)模型Ⅱ和模型Ⅲ的冷却效率沿壁面均呈现逐渐降低的趋势,但二者降低的规律又不相同;(3)在相同壁面位置,模型Ⅲ的冷却效率最高,模型Ⅰ的冷却效率最低,因此可以认为,模型Ⅲ所示的尾缘结构更有利于叶片尾缘的冷却。     

扰流柱对层板冷却叶片前缘传热

根据涡轮导向叶片进、出口条件,运用RNG k-ε湍流模型对简化的层板冷却叶片前缘部分进行数值模拟计算,比较了冲击双层壁和带有圆形、方形、菱形扰流柱的4种层板冷却叶片前缘的流动与传热情况。结果表明:冲击双层壁的总压损失与带扰流柱的层板冷却叶片前缘的相差不大;方形、菱形与圆形扰流柱的靶面换热系数分布相近,差别很小;带扰流柱的层板结构叶片前缘的冷却效率比冲击双层壁的前缘的高,其中方形扰流柱的前缘表面的冷却效率最高,菱形、圆形的次之。     

基于瞬态液晶测量技术的收缩-张形孔气膜冷却特性

采用一种进行全表面测量的瞬态液晶测量技术测量了新型气膜孔（收缩-张形孔）的气膜冷却特性,研究了动量比对冷却效率和换热系数的影响,并与传统的圆柱形孔气膜冷却特性进行了对比,结果表明：收缩-扩张形孔中心线附近区域的冷却效率相对较低,而两孔之间区域的冷却效率相对较高,与圆形孔分布规律相反;在上游区域,两孔中间区域的换热系数比相对孔中心线附近区域较高,而在下游区域,两孔中间区域的换热系数比相对孔中心线附近又较低,与圆形孔相比也有较大不同。相对于圆柱形孔,收缩缝形孔的平均换热系数比在上游较高,在下游较低;收缩-扩张形孔喷出气膜对下游壁面区域的有效覆盖率远大于圆柱形孔,其展向平均冷却效率明显高于圆柱形孔;收缩-扩张形孔在动量比为2时的平均冷却效率最高。     

窄通道内冲击冷却局部换热特性的瞬态液晶测量

 为了深入了解涡轮叶片中冲击窄通道内的换热特性,采用热色液晶瞬态测量技术测量了冲击窄通道内全表面换热系数,获得了不同冲击雷诺数Re、相对冲击孔间距S/d以及有无气膜孔出流时通道内各表面的换热系数分布规律。结果表明：冲击通道内各个面的换热系数均随雷诺数的增加而增加,其中冲击靶面的平均换热系数最大,在雷诺数较大时,冲击面的平均换热系数要比冲击侧面的大;气膜孔出流和相对冲击孔间距增大均会使冲击侧面和冲击面的平均换热系数明显减小,而对冲击靶面平均换热系数的影响却较小;各个面上受气流直接冲击的区域换热系数最大,同时冲击孔和气膜孔附近区域的换热系数也很大。     

基于瞬态液晶测量技术的收缩-扩张形孔

采用一种进行全表面测量的瞬态液晶测量技术测量了新型气膜孔(收缩-扩张形孔)的气膜冷却特性,研究了动量比对冷却效率和换热系数的影响,并与传统的圆柱形孔气膜冷却特性进行了对比,结果表明:收缩-扩张形孔中心线附近区域的冷却效率相对较低,而两孔之间区域的冷却效率相对较高,与圆形孔分布规律相反;在上游区域,两孔中间区域的换热系数比相对孔中心线附近区域较高,而在下游区域,两孔中间区域的换热系数比相对孔中心线附近又较低,与圆形孔相比也有较大不同。相对于圆柱形孔,收缩缝形孔的平均换热系数比在上游较高,在下游较低;收缩-扩张形孔喷出气膜对下游壁面区域的有效覆盖率远大于圆柱形孔,其展向平均冷却效率明显高于圆柱形孔;收缩-扩张形孔在动量比为2时的平均冷却效率最高。     

涡轮叶片尾缘新型结构的换热与流阻

为了提高涡轮叶片的耐温能力,针对涡轮叶片尾缘内冷复合通道提出两种新的隔板结构。通过实验研究了新结构与传统隔板结构对通道的换热和压力损失的规律。采用薄膜加热片作为加热器提供等热流边界条件。实验结果表明：新的隔板结构的设计可以明显增强通道换热的均匀性,其中带孔直隔板提高换热均匀性的同时,部分区域的局部换热能力有所下降,同时压力损失也有所降低;而对于波形隔板结构,部分区域的局部换热能力也有所下降,但平均换热增大。该结构在对换热进行改进的同时,也伴随着压力损失有所增大。实验结论可为大型发动机涡轮叶片的内部冷却结构优化设计提供基础依据。     

Internal Heat Transfer Characteristics of Lamilloy Configurations

A transient measurement technique by using narrow-band thermochromic liquid crystal （TLC） is employed to determine temperature and heat transfer coefficient （HTC） distribution on inner surfaces of the typical lamilloy configurations. With this technique, both local HTC distribution and average HTC distribution could be obtained. The experimental results indicate that the variation of the porosity ratio, the one that the area of impingement holes divided by that of the plate, has a great effect on the HTC distribution on the inner surfaces. Heat exchange of inner surfaces varies directly as the porosity ratio. The impingement Reynolds number ranges from 20 000 to 50 000. The average HTC of inner surfaces bears a linear relationship with the Reynolds number.     

旋转状态下气膜冷却换热特性的实验研究

基于一个平板叶片模型对旋转状态下气膜冷却现象的换热特性进行了实验研究,得到不同吹风比情况下气膜冷却换热系数随主流雷诺数和旋转数变化的分布规律。实验利用热色液晶(TLC)测温技术对叶片表面的二维温度场进行测量,采用空气和二氧化碳模拟不同冷气与主流的密度比,并使用无线遥测技术对旋转系中的温度信号加以采集。结果表明：由于受到离心力与哥氏力的综合作用,叶片压力面与吸力面上的强化换热区域向高半径处发生偏转,且偏转趋势在吸力面上更为明显;随着主流雷诺数的增大,压力面上的换热系数不断增大,而在吸力面上则先减小后增大;此外,主流雷诺数的变化对压力面和吸力面上强化换热区域的偏转现象没有明显影响。