沉积环境下涡轮叶片前缘气膜冷却的实验研究

为研究沉积物对涡轮叶片前缘气膜冷却的影响，实验采用石蜡沉积模拟真实沉积。通过改变主流的温度、气膜孔射流角度及气膜孔孔径，观察了沉积环境下气膜冷却效率及沉积率的变化规律。实验结果表明:颗粒物沉积在障碍物表面的形貌受到主流温度的影响较大，当主流温度接近颗粒物熔点时，沉积覆盖最明显。在相同实验条件下，随着射流角度增大，单个气膜孔覆盖区域减小，气膜冷却效率下降，沉积前后，射流角度25°和65°的气膜冷却效率最大相差2%和5.6%，沉积率随射流角度的增大而升高；随着孔径增大，气膜冷却效率先降低后升高，其中4.5 mm孔径无论是否沉积，气膜冷却效率均最高，比3 mm孔径的气膜冷却效率高3.6%和3.2%。沉积率在孔径3 mm时最低。      

旋转状态下涡轮叶片压力面气膜冷却特性

通过1.5级涡轮叶片旋转气膜冷却实验,揭示了整级涡轮叶片在旋转状态下的气膜冷却规律.实验中,主流雷诺数为8×104,旋转数分别为2.092,2.324和2.448,吹风比从0.3到3.0变化,冷却工质分别采用空气和二氧化碳,对应射流主流密度比分别为1.03和1.57.叶片表面喷有宽幅液晶,通过高精度CCD相机得到表面温度场.结果表明:压力面上,气膜冷却效率随吹风比的增大而升高,随旋转数的增大而降低;气膜轨迹向高半径方向偏转,偏转程度随旋转数的增大而加剧;提高射流主流密度比,有利于提高冷却效率.     

吹风比和曲率对旋转曲面气膜冷却效率影响

采用数值模拟方法,对旋转状态下曲率表面的气膜冷却进行研究.通过不同的曲率半径和吹风比,得到了冷却效率的分布情况,从而获得吹风比和曲率两因素对气膜冷却效率的影响规律.研究结果表明:低吹风比下,冷却效率较好;高吹风比下,气膜容易脱离壁面;凸表面的冷却效率随着曲率半径的增加而逐渐减小;而凹表面的冷却效率随着曲率半径的增加而逐渐增大;凸表面上曲率的影响作用随着旋转数的增加而逐渐弱化;而凹表面上曲率的作用随着旋转数的增大而逐渐增强.     

旋转对气膜冷却覆盖区域的影响

气膜冷却是应用于航空发动机上的冷却技术,旋转是影响气膜与主流掺混区域的重要因素.在旋转气膜外换热实验台上进行的平板气膜冷却实验对此问题进行了研究.与静止叶片相比,气膜出流在旋转叶片表面会发生展向偏离.在压力面,转速增加,气膜出流先向低旋转半径方向偏转,后向高旋转半径方向偏转;在吸力面,气膜出流向高旋转半径方向偏转.动量流量比固定,当密度比增加时,压力面气膜出流轨迹向低旋转半径方向偏转加剧;吸力面气膜出流轨迹向高旋转半径方向的偏转也增大.      

粗糙度对涡轮叶片流动转捩及传热特性的影响

为研究表面粗糙度对涡轮叶片流动转捩以及传热特性的影响,在自行开发的CFD程序平台上提出了对γ-Re_θ转捩模型的粗糙度修正方法,并参考平板绕流和涡轮叶栅的实验数据对该方法进行验证。考虑粗糙度效应的影响,对Mark Ⅱ涡轮导叶5411工况进行数值模拟,得到如下结论:表面粗糙度对层流边界层换热系数影响不大,而对湍流边界层则有较大影响,进而显著改变壁面温度分布;与光滑壁面相比,5μm的等效沙粒粗糙度使吸力面湍流区域壁面温度升高约5.7K,100μm粗糙度使壁面温度升高28.4 K,增幅达5%左右;当壁面粗糙度较低时,激波干涉对吸力面边界层的转捩起主导作用,而当粗糙度大于某临界值时,其作用会使转捩位置突然变化,本算例中该临界值近似为150μm。      

旋转状态下气膜冷却模型的数值模拟

通过对带有90°倾角圆柱形交错孔排的涡轮叶片模型进行数值模拟,得到了不同主流雷诺数、旋转数和吹风比情况下前缘面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;雷诺数的增大会削弱气膜冷却效果,高吹风比则不利于气膜孔下游区域的冷却.各气膜孔的流量系数随吹风比的增大而增大,随旋转数的提高而减小.在后缘面侧,相同工况下各气膜孔的流量系数明显高于前缘面侧对应气膜孔的值.      

带气膜出流叶片前腔内表面冲击换热数值模拟

采用数值模拟方法对不同雷诺数下静止状态涡轮叶片前腔带气膜孔出流的冲击流动与换热特性进行了研究.分析了叶片前缘冲击流动产生的不同涡团对其内表面换热的作用机理.计算结果表明:相同雷诺数下,叶片前缘内表面气膜孔附近的换热强化比高于通道的平均值.随着雷诺数增加,换热强化比有所提高.冲击流动与通道流动耦合而形成的波浪形涡区,极大地扩展了冲击强化换热区域.气膜孔出流的抽吸作用对冲击流产生影响,进一步扩大了冷却空气在前缘内表面的覆盖范围.气膜腔叶根处纵向截面的涡团阻碍了冷气向叶根方向扩展,降低了冷却效率;而横向截面的涡团则促进冷气与壁面热气的掺混,提升了换热效果.      

曲率对旋转态气膜冷却效率影响的数值模拟

通过对旋转状态下曲率叶片模型上气膜冷却现象的流动和换热进行数值模拟,得到了不同主流雷诺数、吹风比和旋转数情况下吸力面和压力面上的冷却效率分布.计算选用κ-ω和SST(Shear-Stress Transport)湍流模型,主流雷诺数Re=3 198.4~6 716.6,吹风比M=0.2~1.2,旋转数Rt=0~0.015 9.结果表明:旋转数的增大导致气膜孔下游中心区域的冷却效率下降,但使压力面整场的冷却效果略有提高;吹风比的增大使得吸力面和压力面上的冷却效率逐渐降低,主流雷诺数的变化对壁面整体冷却效果则影响不大.此外,相同工况下吸力面上的冷却效率要高于压力面上的对应值.     

旋转状态下叶片前缘复合换热实验

通过液晶示温瞬态实验方法,对旋转状态下涡轮叶片前缘带气膜出流的冲击冷却结构的换热特性进行了研究,获得了哥氏力、离心力对复合换热效果的影响.实验参数:射流进口雷诺数R_e=4 000,旋转数R_o=0~0.139.实验结果表明:随着旋转数的升高,实验模型的整体换热效果逐渐减弱,在旋转数为0.139时,与静止状态相比冲击面平均努塞尔数Nu下降了33%,压力面和吸力面分别下降了20.5%和7.5%;哥氏力的作用加速了射流的扩散,是造成旋转换热减弱的主要原因;哥氏力和离心力的共同影响使得吸力面的换热好于压力面;气膜孔的存在改变了流动结构,极大的增强了孔周边区域的换热效果.      

涡轮叶片微小通道气膜新型复合冷却结构设计

利用数值模拟的方法,研究了一种应用于涡轮导向器叶片的微小通道气膜新型复合冷却结构.重点是对微小通道和气膜孔的新型复合冷却方法进行结构设计并进行结构优化,探讨不同的冷却结构形式对流动和换热的影响.研究表明:不同的复合冷却结构对冷却效率和压力损失的影响不同;在所设计的几种复合结构中,分枝小通道结构在平衡冷却效率和压力损失方面有着较好的效果;所计算的几种复合结构的结果都显示,微小通道气膜新型复合冷却结构的冷却效率高于铸冷叶片的冷却效率,冷却效果好,具有巨大的应用前景.     

旋转状态下温度比对气膜与主流掺混区域的影响

为了研究在旋转状态下温度比对气膜与主流掺混区域的影响,采用了数值模拟的方法对此进行了分析.结果表明:与静止状态相比,气膜出流在旋转状态下会发生偏转.当温度比固定,随着转速的增加,吸力面上气膜覆盖区域向高旋转半径方向偏转;但在压力面上,覆盖区域向低旋转半径方向偏转.在旋转速度固定时,随着冷却气膜和燃气温度比的增加,气膜覆盖区域向高旋转半径方向偏转.旋转同时会降低气膜冷却效率,而温度比对此的影响却很小.      

气冷涡轮导叶流热耦合计算及机理

针对气冷涡轮叶片的多场耦合特性,利用流热耦合（CHT）方法,对采用不同气冷结构的高压涡轮导叶进行数值模拟。在内冷涡轮导叶算例中,对比实验数据选取精度较高的流热耦合计算方案,分析该内冷涡轮导叶的多场特性及耦合机理。在此基础上,以带有气膜冷却孔及内冷通道的气冷涡轮导叶为研究对象,重点围绕冷却射流与主流的相互作用,讨论近壁边界层中流热耦合关系及气冷效率影响因素等相关问题。结果表明:采用流热耦合计算方法及合适的湍流转捩模型有利于提高数值精度;气冷涡轮导叶的流场温度场密切耦合,流动换热特性互相影响;冷气射速低时,增加冷气流量可提高气膜冷却效率,冷气量达到一定值时,冷气流量增加将导致气膜冷却孔后上游冷却效果变差,下游冷却效果变好;冷气射速较高时,将与主流相互作用产生复杂流动结构（如肾形涡、马蹄涡等）,对温度分布存在一定影响。      

基于红外热像仪对珠状凝结换热过程实验

通过非接触式测温装置红外热像仪,观测冷凝液滴的形成、生长以及液滴之间汇聚、滚落过程.实验发现在珠状冷凝过程中,其表面温度变化显著.随着冷凝过程的进行,小液滴逐渐汇聚成大液滴,其液滴单位面积换热量明显下降,液滴表面温度逐渐降低.微纳米级小液滴在珠状冷凝换热中具有至关重要的作用.液滴在洁净表面上的珠状凝结和液滴在汇合后自清理表面上的珠状凝结表现出不同的温度分布,即珠状凝结汇聚后的自清理表面一直被前驱膜所覆盖.      

旋转状态下曲率对气膜与主流掺混区域的影响

气膜冷却是应用于航空燃气轮机上的冷却技术,旋转及表面曲率是影响气膜与 主流掺混区域的重要因素,通过数值计算方法对旋转状态下曲率对气膜与主流掺混区域的影 响进行了研究,湍流模型选取了k-ω模型.增加旋转速度,会引起吸力面气膜的分离; 固定转速,降低表面曲率半径,压力面气膜发生分离,吸力面气膜冷却效果得到改善.当动 量流量比在小于1的范围内变化时,旋转只改变压力面气膜与主流掺混区域的分布,而对吸 力面没有影响.      

上升气泡与塑料平板在纯水中的碰撞黏附行为

为了揭示气泡尺寸和表面疏水性对塑料浮选过程的影响规律,采用高速摄影技术观测上升气泡与塑料平板在纯水介质中的碰撞黏附行为。根据气泡速率的变化情况,将碰撞黏附行为细分为碰撞、液膜排液、三相接触线扩散等3个阶段,基于图像处理技术定量分析了气泡碰撞形变、黏附时间、三相接触线扩散特性及其影响因素。结果表明:变形因子随气泡直径的增大由略大于1.00逐渐演化为略小于1.00,疏水性强的塑料平板使相同直径气泡的变形因子更大,碰撞时间随气泡直径的增大而增加,随疏水性的增加而减小。塑料平板疏水性越强,形成三相接触所用时间越短,当气泡直径为1.0 mm时,聚四氟乙烯（PTFE）和聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）平板的液膜排液时间均出现极小值,分别为4.8 ms和56 ms。三相接触线扩散时间随气泡直径的增大而增大,随塑料平板疏水性的增大而减小,在气泡直径大小相同时,三相接触线扩散直径随塑料平板疏水性的减小而减小。      

旋转状态下涡轮叶片前缘的流动与换热

用数值模拟的方法对旋转状态下涡轮叶片前缘冷却结构进行了数值研究,该结构由进气腔、叶片尾缘块和前缘块构成,对此结构不同的旋转速度情况进行了计算,根据计算结果分析了旋转对涡轮叶片前缘流动与换热的影响.计算结果表明,旋转状态下带气膜出流的冲击流动中,前尾缘冲击面的换热随着转速的增加而减小,且尾缘冲击面的换热比前缘冲击面的换热要好;同时前尾缘冲击面换热的差别随着转速的增加将越来越小.     

飞机发动机叶片缺陷的差激励涡流传感器检测

针对某型号飞机发动机涡轮叶片上预制的微裂纹缺陷进行了检测研究.基于涡流检测技术设计并研制了一种尺寸小、灵敏度高的差激励探头,应用有限元分析软件开展了叶片微裂纹缺陷仿真分析.为了实现叶片的自动高效检测,设计并采用数控多自由度扫查台来控制采集过程,实现了对叶片表面裂纹缺陷的快速扫查检测.采集信号经过信号调理电路,A/D转换后输入计算机,完成信号的保存、处理和输出.通过对比实验结果与仿真结果发现,研制的差激励式涡流传感器可以有效地实现对叶片类零件表面微裂纹位置的判定,对涡轮叶片类零件微缺陷早期诊断评估具有一定的现实和借鉴意义.