稀疏型气膜出流内部冷气侧换热特性实验研究

目前航空发动机涡轮叶片的弦中区大多采用稀疏型(相对叶片前缘)气膜冷却技术。实验研究了这种复合冷却方式中带有冲击射流和没有冲击射流两种情况下的稀疏型气膜出流内部冷气侧换热特性,通过对大量的实验数据分析,得出了诸多流动及几何参数对叶片内表面换热特性的影响,并在实验参数范围内整理出了换热准则关系式。其分析结果及相应准则关系式对叶片的结构设计具有直接的指导意义。      

密集型气膜出流内部冷气侧换热特性实验研究

航空发动机涡轮叶片前缘大多采用密集型气膜冷却技术。针对这种复合冷却方式中密集型气膜出流的无冲击冷却内部换热特性进行了大量实验研究,得出了气膜出流与来流密流比、来流雷诺数以及出流开孔面积比对换热特性的影响,并在实验参数范围内整理出了换热准则关系式。其结果及准则关系式对叶片的结构设计具有直接的指导意义。      

冲击冷却局部换热特性的实验研究

木文研究了用单排圆射流冲出冷却的方法来模拟涡轮叶片前缘的局部换热特性。通过对大量实验数据的分析研究,发现局部换热系数的分布曲线是一个分段函数:驻点区为高斯分布函数,壁射流区为幂函数分布。文中还分析了射流雷诺数、射流孔与试验靶之间的无因次距离、冲击管和试验靶的无因次结构尺寸等对局部换热系数及其分布的影响。最后,用最小二乘法整理出一组描述冲击冷却局部换热特性的经验公式。这些公式对冲击冷却叶片的设计具有一定的工程实用参考价值。      

稀疏气膜冷气侧局部换热特性实验

涡轮叶片弦中区的冷却为冲击带初始横流和气膜孔溢流的复杂流动换热,通过实验的方法,研究了涡轮叶片弦中区沿流向局部换热特性和靶板平均换热特性随冲击雷诺数、横流射流密流比、气膜出流与横流密流比以及冲击腔高度与冲击孔直径之比的变化规律,并通过气膜出流与横流密流比对局部换热效果、区域平均换热效果以及靶板整体平均换热效果的影响规律揭示气膜的介人对冷气侧换热带来的影响.     

叶片弦中区内部气膜孔局部换热特性实验

对叶片弦中区内部有、无冲击射流的气膜出流冷却方式中,冷气侧气膜孔局部换热特性进行了实验研究。无冲击射流时,主要研究了来流雷诺数、气膜出流与横流密流比的变化对气膜孔局部换热特性的影响;研究发现,气膜孔局部的换热均随两者的增加而强化,且孔后的换热要好于孔前的换热,越靠近孔的地方换热越强,并对倾角为30°和90°时气膜孔的“溢流效应”进行了比较。有冲击射流时,改变冲击雷诺数、横流射流密流比等流动参数,通过对数据整理得出了这些参数对其局部换热特性的影响规律。      

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。     

涡轮叶片弦中区扰流柱强化换热实验

针对涡轮叶片弦中区扰流柱支撑冲击导管的冷却结构建立实验模型,研究了随冲击雷诺数,横流射流密流比,冲击孔靶间距与冲击孔径比等参数的改变,叶片内壁面的换热特性变化规律.并与传统的弦向肋支撑冲击导管冷却结构的光滑壁面换热特性进行对比,重点研究了弦中区扰流柱的强化换热特性.结果表明:弦中区扰流柱明显降低了叶片前缘和前排冲击产生的初始横流削弱换热的负面作用,前缘或前排冲击产生的初始横流可以有效地增强其后部的换热努塞尔数,扰流柱支撑结构所表现出的换热效率优于传统的大间距弦向肋支撑结构.      

气膜冷却涡轮叶片前缘外换热系数的实验研究

本文利用扁圆柱头部模拟涡轮叶片前缘对四个具有不同几何角度气膜孔的模型,测定了无气膜时和有气膜时的外表面换热系数分布规律.通过比较表明:气膜冷却时由于二次流的扰动,破坏了主流的附面层,导致外换热系数增加,这种影响在气膜孔口附近表现得尤为显著,并随着吹风比的增大而增大.本文给出了四个模型的外换热系数变化与主流雷诺数、吹风比、无因次弧长的经验关系式.并认为设计气膜冷却叶片时必须考虑换热系数的变化.     

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。     

边倒圆型气膜孔流动换热特性研究

为提高涡轮叶片气膜冷却效率,根据主流与射流间的相互作用关系,并以圆柱型气膜孔为基础,在气膜孔出口前缘位置进行边倒圆处理,同时对该新型的边倒圆型气膜孔结构进行了实验及数值计算研究。分析了边倒圆型气膜孔的流动换热机理,得到了新型气膜孔下游全表面气膜冷却特性分布及气膜孔的流量系数。结果表明:边倒圆型气膜孔内流动均匀,出口涡强度有所降低,进而能够减弱主流通道内的反转对涡强度;同时由于边倒圆孔的扩张作用使得射流法向动量降低、展向动量增强,从而提高气膜冷却效率。边倒圆型气膜孔的孔下游区域气膜贴壁性较好,气膜展向覆盖面积较大。相比于圆柱型气膜孔,边倒圆型气膜孔下游区域换热系数较高,远孔区域换热系数较小。新型气膜孔的流量系数比圆柱型气膜孔约大5%,孔内流动损失较小。整体上看,边倒圆型气膜孔具有较好的流动换热特性。     

孔位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实验，测量了涡轮导向叶片表面不同位置单排气膜孔喷射时下游的换热系数，研究了孔排位置、吹风比的影响。风洞实验段由3个叶片组成，中间的叶片为试验叶片，由优质木材制成。试验叶片表面上开有15排气膜孔，吸力面3排，前缘区6排，压力面6排。实验中吹风比的变化范围是0.5～2.5。研究结果表明：由于气膜孔排位置的不同，喷气对换热系数的影响范围不同，换热系数受吹风比影响的变化趋势也有所不同。     

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。     

涡轮叶片前缘旋流-气膜复合冷却内部流动传热特征实验和数值模拟

为了提高涡轮叶片前缘的冷却效率,本研究提出了一种偏置冲击孔的旋流-气膜冷却结构。在20000～50000雷诺数范围内,对冲击孔居中和偏置分别开展实验研究和数值模拟,得到了两种结构的内部传热、流阻和流场特性。实验通过瞬态液晶热像技术获得前缘内表面的详细努塞尔数分布,并结合数值模拟的结果分析了流场特征,对强化换热的机理做出解释。实验结果表明：叶片前缘内部旋流使总体平均努塞尔数提高4.0%~9.4%,同时压力损失降低5.6%~6.4%。数值模拟结果表明,偏置冲击孔利用叶片前缘曲率较大的结构特性产生了强烈的旋流,使高换热区的面积显著增加,改善了内部换热的均匀性。     

有无内部对流换热对导叶冷却效果影响的数值研究

根据导向叶片的曲面结构,运用剪应力输运方程(SST)湍流模型,在不同冷气入口压力条件下,对涡轮叶栅通道内部的三维流场和圆形气膜孔叶片型面的冷却效果进行了数值模拟.计算针对两种情形,即叶片内部有对流换热的情形和无对流换热的情形,结果表明随着冷气入口压力的增加,叶片有无内部对流换热的冷却效果也在增加;有内部对流换热的冷却效果较纯气膜冷却的高,尤其是在叶片前缘.      

旋转状态下涡轮叶片复合冷却结构

采用三维流固耦合换热计算研究了旋转状态下涡轮叶片冷却结构的复合冷却性能,讨论了辐射换热和转速对综合冷却效果的影响.结果表明:结构1叶根处出现局部高温区,低冷却效率范围大,叶片整体温度分布不均匀,结构2通过更合理的气膜流量分配提高了前缘附近冷却效率,降低了叶片表面最高温度,结构3采用内部蛇形通道使吸力面冷却效率显著提高,叶片整体冷却效率分布较为均匀;考虑壁面辐射换热时叶片表面温度升高,当表面发射率为1时局部温升超过50K,壁面辐射换热的影响不能被忽略;压力面综合冷却效率随转速增大而升高,3种结构的局部冷却效率最高分别能提升15.6%,13.4%和16.4%,吸力面上除弦中区冷却效率随转速升高有所降低外,其余位置冷却效率变化不大.      

Heat transfer enhancement in combined cooling of the turbine blade leading edge

This paper reports the results of an experimental study of heat transfer using a model of the internal cooled surface of the turbine blade leading edge. We investigated a joint action of air jets and hemispherical protrusions on heat transfer from the concave surface of the leading edge model to air.     

近距离散冲击射流换热实验研究

涡轮叶片内的冲击换热多取近距离散冲击换热 (冲击距与喷孔直径之比 Zn/dn<3,喷孔中心距与喷孔直径之比 Cn/dn<3)。由于在叶片前缘有气膜出流孔 ,因而对叶片内前缘冲击换热做大面积平均实用意义较小。所以本实验旨在总结近距冲击下驻点连线及驻点附近小面积的换热规律并得出新的经验公式 ,这具有较大的实用意义。