涡轮叶片表面气膜冷却效率的实验研究

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的气膜冷却效率，研究了孔排位置、吹风比及来流雷诺数的影响。风洞实验段由3个叶片组成，其中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，其中吸力面3排，前缘区6排，压力面6排。实验的参数变化范围是：基于叶片弦长的来流雷诺数250000-450000，吹风比0．5-2．5。结果表明，由于气膜孔排位置的不同，其下游冷却效率受来流雷诺数及吹风比影响的变化趋势也有所不同。     

叶片前缘气膜冷却换热的实验研究

对叶片前缘多排圆柱形孔的气膜冷却换热进行了实验研究。测出了不发生主流侵入腔室的最小平均吹风比、孔排区及其下游的局部换热系数,并研究了主流雷诺数及平均吹风比对局部换热系数比的影响。实验参数范围：主流雷诺数Ｒｅ＝４２０００～１２７０００,平均吹风比Ｍ＝０．８～２．０,测量分８个工况进行。     

涡轮叶片型面气膜冷却效率的计算模型

研究并发展了以低雷诺数k ε紊流模型为基础的气膜冷却效率计算方法,将前人针对平板气膜冷却提出的掺混模型推广应用于涡轮叶片型面。计算结果表明,导向叶片型面存在四个典型区域,每个区域自气膜孔喷出的冷气射流与主流的相互作用的规律不同,对于四个典型区域分别建立质量喷出率φ和三维掺混系数γ两个经验参数随冷气吹风比变化的规律,并用所得的规律计算叶片上单排气膜孔下游的冷却效率,与实验数据符合良好。     

倾斜30°锥形喷孔气膜冷却的流动和传热实验研究

对流向倾角为３０°、锥顶角分别为１５°和３０°的锥形气膜冷却喷口射流下游的流动和传热进行了详细的实验研究，并与相同实验条件下圆孔的射流情形进行了比较，发现锥形喷口下游的速度边界层的等值线具有三种基本分布形态。随着锥形出口面积的增大，射流的穿透能力明显减弱，核心区域速度明显降低，侧向扩展范围明显增加，纵向耦合涡迅速减弱并消失，从而显著地提高了气膜冷却效率，尤其是提高了喷孔两侧流向下游位置上的冷却效率。同时，大锥顶角的高吹风比下，射流具有十分良好的贴壁效应和非常可观的冷却效率。     

气膜冷却流场的实验研究和数值模拟的分析

用Ｘ型双丝热线探头对扇形气膜孔射流下游流场的测量结果表明，湍流因射流的注入而显著增强，并存在十分明显的各向非同性。传统的应力和速度梯度的涡粘关系仍然适用于气膜冷却流场，但应该在不同的方向上分别对湍流粘性系数进行修正。标准ｋ－ε湍流模型可成功地模拟孔内流动和流向倾角α较小时的掺混气膜冷却流场，但在α较大时的孔中线附近区域内的流场模拟是不成功的，并导致冷却效率的模拟失败。     

应用各向异性湍流模型对气膜冷却的数值研究

应用引入各向异性系数的k-w湍流模型和标准k-ε模型,对平板气膜冷却经典实验进行了数值研究,分析了各向异性系数的引入对气膜孔下游流场与温度场的影响机理,探讨了该系数的适用性问题.研究表明:①展向各向异性系数的引入,增加了流体在展向的湍流脉动,强化了气膜冷气沿展向的扩散;②各向异性模型的计算结果在低吹风比(M=0.5)的工况下与实验值符合得较好;③各向异性系数在气膜脱离壁面与主流掺混的区域适用性较差.      

喷射角对涡轮叶栅端壁气膜冷却传热的影响

在大尺寸低速平面叶栅风洞中,对前缘上游有单排气膜孔的涡轮导向叶栅端壁气膜冷却进行了详细的传热实验。在喷射角为25°,35°和45°以及吹风比为1,2,3下测量了端壁面上的局部冷却效率和换热系数,并由此计算出了叶栅实际工作状态下的端壁热负荷。着重研究了喷射角对端壁气膜冷却的影响。数据表明减小喷射角度虽然能够显著的提高冷却效率,但同时也明显的增大了换热系数,最终的冷却效果取决于端壁热负荷的大小。     

压力敏感涂料的标定及在气膜冷却效率测量中的应用

采用自行设计的标定装置对压力敏感涂料进行了标定实验,研究了激励光源光强、温度两种参数对标定曲线的影响.结果表明:当激励光源光强能够使得光敏分子发生氧猝熄条件下,激励光源光强对标定曲线的影响可以忽略不计;标定曲线对温度变化较为敏感.据此提出了采用二维插值方法得出发射光强关于压力比、温度比的表达式,从而对测量结果进行温度修正.在此基础上,将压力敏感涂料测试技术分别应用于圆柱孔、扇形孔气膜冷却效率的测量中,所得实验数据与前人结果符合较好.      

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。     

气膜冷却技术在加力燃烧室隔热屏设计中的应用

用于某型歼击机上的发动机,设计要求其加力燃烧室内燃烧温度达1900K;长度约2.3m,外壁温度不超过1073K;一次工作寿命不小于150小时。根据国内实用机种状况,只有设计隔热屏才能满足壁温的要求。我们应用气膜冷却技术,半经验半理论的设计方法,很快地收到了予期的效果。本文仅扼要介绍设计思想及结果。      

叶片前缘气膜冷却效率的实验研究

采用放大的半圆柱状表面模拟涡轮叶片前缘的形状,对叶片前缘多排圆柱形孔的气膜冷却效率进行了实验研究。测出了孔排区及其下游的局部冷却效率。研究了主流雷诺数及平均吹风比对冷却效率及二次流(冷气)出流轨迹的影响。实验参数范围是:主流雷诺数Re=42000～127000,平均吹风比M=0.8～2.0,测量分8个工况进行。      

旋转涡轮叶片端部气膜冷却的数值计算

旋转情况下,考虑离心力场的浮升力以及科氏力对流动的影响,用SIMPLE方法,k-ε湍流模型,并考虑了壁面函数,数值模拟了叶片端部的气膜冷却。和以往观点不同的是:旋转叶片与非旋转的相比,绝热温比高,气膜冷却有所改善,但换热系数大,并初步分析了原因。      

离散气膜孔下游边界层的实验研究

“Ｘ”型热线测量了离散气膜孔下游边界层内的湍流量,将热线探头绕轴转三个角方位以感受三维湍流场信息。结果表明,边界层内湍动能分布呈反“Ｓ”形,吹风比和孔排数对参数分布有重要影响,这种影响在很长距离上不消失,所以,常用的ｋ－ε模型不经修正不能正确预计这类边界层的发展。     

不同偏角多斜孔壁气膜冷却绝热温比研究

用传热传质类比实验的方法,研究了不同偏角多斜孔壁气膜冷却绝热温比,多斜孔壁由多斜孔实验板模拟。多斜孔实验板中,孔排列方式均为叉排,小孔与板表面夹角均为３０°,偏角从０°变化至５０°,孔排距比与孔间距比基本相等。研究结果揭示了不同孔偏角对多斜孔壁气膜冷却绝热温比的影响。     

气膜孔形状对流量系数影响的实验研究

实验研究了气膜孔几何形状、二次流雷诺数及吹风比对流量系数的影响。所用孔形是簸箕形孔、圆锥形孔及圆柱形孔；实验的参数范围为二次流雷诺数Ｒｅ＝１００００～２５０００，二次流吹风比Ｍａ＝０．３～２．０，在上述范围选取了２６个工况分别对三种孔形进行了实验。得出了吹风比是影响各种孔形流量系数的重要参数及圆锥形孔流量系数最大的结论。     

燃烧室室壁冲击／气膜复合冷却壁温分布研究（二）理论部分

在考虑轴向导热的基础上，结合壁温分布实验数据，用纯气膜及冲击换热的研究成果，发展了计算纯气膜，夹层气膜及／气膜复合冷却火焰筒一维壁温分布计算程序，计算结果与实验结果二者基本吻合，研究表明，在冲击／气膜复合冷却计算中，应充分考虑Ｃｍ的值随Ｇｃ增大而增大的情况，且冲击／气膜冷却中的Ｃｍ取值高于纯气膜及夹层气膜冷却计算的Ｃｍ取值，本程序可用于纯气膜、夹层气膜及冲击／气膜复合冷却火焰筒一维壁温分布的初步分     

涡轮叶片气膜冷却的数值模拟

在低雷诺数 Ｋ ε双方程紊流模型程序基础上,通过引进一种离散孔气膜冷却的喷射模型,预测了涡轮叶片上有冷气出流情况下的冷却效率,包括对不同吹风比, 不同二次流与主流的密度比,不同主流紊流度,不同展向孔间距,单排孔不同孔排位置及多排孔同时有冷气出流等多种情况,总结出了喷射模型中两个重要参数的变化规律,计算结果与实验数据符合程度良好。     

EXPERIMENTAL STUDY OF FLOW FIELDS IN THE VICINITY OF A FILM COOLING HOLE EXIT

Sofar,filmcoolingisextensivelyadoptedforprotectinghightemperaturepartsingasturbine.Manyresearchworksarefocusedonflow[1~3Jandheattransfer[4'5jinthedownstreamofthecircularhole,buttheflowcharacteristicsattheholeexit,especiallyforflaredholeexit,arenotreportedatpresent.Inordertodesignasuitab1eholeshapeforpracticalcoolingandprovideplentyexperimentaldataforverificationofcomputercodes,adetai1edexperimentalin-vestigationabout3-Dflowfieldsattheexitofasinglecircularandfan-shapedholehasbeencompleted.1Exp…