基于响应面的涡轮叶片冷却通道设计优化

基于响应面近似技术,对涡轮冷却叶片的气动和传热性能进行了设计优化。以冷却通道肋的位置为设计变量,采用拉丁超立方抽样在变量设计空间里选取样本点,根据样本点建立叶片计算模型,采用流-热耦合分析方法得到叶片气动与传热性能参数,拟合得到叶片壁面最高温度、平均温度和总压损失关于设计变量的四阶响应面近似模型。采用响应面模型动态修正技术,进行了回流式冷却通道的设计优化,得到了优化解,减少了总压损失,使叶片最高温度下降了24.5 K,叶片壁面平均温度下降了34.4 K。     

涡轮冷却叶片参数化建模及多学科设计优化

建立了一个涉及结构、气动、传热、振动、强度和寿命等学科的涡轮冷却叶片多学科设计优化系统, 进行了单孔薄壁冷却叶片的多学科设计优化.提出了单孔薄壁冷却叶片的参数化造型方法, 叶片叶型采用5次多项式构造, 气动与传热为三维耦合分析;叶片体积平均温度与最高温度为优化目标, 强度、振动和寿命等学科相关参数为约束, 模拟退火与序列二次规划组合算法进行叶片参数空间寻优, 在保持冷却气体流量不变的条件下, 优化提高了冷却效果, 降低了叶片材料的性能要求.      

高压涡轮冷却叶片叶顶结构气动与传热

开展了叶顶结构及间隙变化对高压涡轮冷却叶片气动与传热性能影响的研究,建立了四种不同叶顶结构的涡轮冷却叶片几何与数值分析模型,进行了高精度流热固耦合分析,得到了不同叶顶结构及间隙对涡轮冷却叶片气动与传热性能影响的数值分析结果。结果表明:不带射流孔叶片随着叶顶间隙的增大,总压损失增加;由于近壁面处存在的涡流,凹槽叶顶结构能够减少叶顶燃气泄漏,阻碍叶顶平面高温燃气的流动与热交换;叶顶射流孔冷却效果明显,能够大幅度降低叶顶平面温度。在相同叶顶间隙下,凹槽射流叶片具有最高的气动性能。     

基于变分法的冷却结构优化设计与分析方法

为了改善冷却结构的综合换热性能,需要对冷却结构的优化设计进行研究。以冷却结构的平均温度、温度不均匀度和冷却剂流动压力损失为目标函数,基于变分法生成优化分布的冷却通道,该通道可以根据当地的边界条件而自适应地调整。随后对冷却结构进行流固耦合传热的数值计算,得到冷却结构的温度分布、冷却剂的压力损失、冷却剂出口温度等参数,多次迭代进而得到满足目标要求的冷却结构优化设计。计算结果表明,基于变分法的冷却结构优化设计方法可以根据当地边界条件生成优化的冷却通道;对于不同的优化方案,存在各自对应的最佳通道个数和冷却通道分布使目标函数最优;对于优化方案三,优化设计的冷却通道和常规设计的冷却通道相比:冷却结构平均温度从816K下降到807K,温度不均匀度从211K降低到172K,代价是压力损失从8kPa上升到17kPa。     

油冷涡轮动叶方案中旋转冷却效应分析

空气涡轮技术可用于超燃冲压发动机,解决燃料和电力供给问题,其面临的主要障碍是冷源受限条件下涡轮动叶的冷却措施。提出了一种用燃料作为冷却剂的油冷方案,对涡轮动叶进行冷却。针对该方案,建立了三维模型并通过数值模拟方法评估该方案的可行性,并研究了旋转条件下的流动换热问题。结果表明:油冷方案可以在基本不影响涡轮性能的基础上有效降低动叶温度;单个叶片用1g/s流量的燃料就能使叶片的温度大幅降低;高速转动下,冷却通道中压力最高可达114.5MPa;旋转效应增强了冷却通道中流动的湍流度,提高了冷却剂与叶片之间的对流换热系数。     

气热耦合条件下涡轮动叶叶型与冷却结构优化

为改善叶片表面温度场,提高叶片气动效率,对燃气涡轮动叶进行了针对叶型以及冷却结构的气热耦合优化。优化结果表明:对冷却结构以及叶型优化后,叶片表面最高温度降低13.64K,平均温度降低6.46K,尾缝冷气出口温度提升6.81K,尾缝出口马赫数由0.24增大至0.30,高温函数降低85.20%,气动效率提高0.58%。通过分析,对该涡轮动叶,尾缘第三腔冷气流动速度的增大及第三腔叶顶冷气低速漩涡区的缩小是减小叶片表面温度的主要因素;型面压差减小导致横向二次流损失的降低及三个截面马赫数减小导致的激波损失降低是减小气动损失的主要因素。     

飞行器鼻锥凹腔-发散组合冷却数值模拟

尖锐鼻锥冷却方案是可复用式航天飞行器研究领域一个十分重要的课题。传统发散冷却虽然可以有效降低鼻锥结构温度,但是由于驻点外极高的热流、压力,会出现驻点冷却效果差的问题。迎风凹腔结构是一种针对鼻锥驻点区域的减阻防热方案,尖锐唇口的分流作用可以使附近压力、热流降低。因此,提出一种新型冷却结构——凹腔-发散组合冷却,利用迎风凹腔结构对驻点的强化冷却解决发散冷却中驻点难以冷却的问题。以楔形鼻锥为物理模型,对发散冷却、迎风凹腔结构和凹腔-发散冷却3种冷却结构进行数值模拟,并和无冷却的纯鼻锥结构进行对比。结果表明,与传统发散冷却相比,使用凹腔-发散组合冷却可以使结构温度峰值下降16.8%;与没有冷却的纯鼻锥模型相比,鼻锥头部圆弧段表面平均温度降幅可达64%,证实了这种新型冷却结构的可行性和高效性。     

高压涡轮导向器叶片冲击冷却数值研究

针对高压涡轮导向器叶片表面温度过高的情况,采用在叶片内安装导流片并布置射流孔的方式对高温叶片进行冲击冷却,运用带转捩的Transition k-kl-ω模型完成了气动和传热的三维耦合计算分析,研究了改善冲击冷却效果的方法和途径,实现在保持冷却气体流量不变条件下,提高冷却效果、降低材料的性能要求。计算结果表明:在一定孔径范围内,射流孔数和孔径满足(4n-1)D=h的关系式时,沿叶高方向能满足冷却要求;选择在压力面开3列、吸力面开4列射流孔,能满足叶片中弦区域冷却要求,采用劈缝排气方式可以消除尾缘高温现象;导流片与叶片间距zn/D在1.71～2.57变化时,对叶片内外表面平均温度影响不大,而随间距变小,叶片内外表面最高温度降低,最低温度则会升高;随冷却气体温度降低或流量增加,冷却效果会更好。     

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.      

加力用气冷气动雾化喷油杆冷却性能数值模拟

对新型加力用气冷气动雾化喷油杆的冷却性能进行了数值模拟。通过模拟计算,得到该喷油杆壁面温度随进口参数、吹气压力和不同结构等的变化规律;结果表明,在1300K高温气流中吹气冷却后,喷油杆表面最高温度比不吹气时降低100～150K。     

涡轮叶片内冷却通道的流阻与换热研究

用实验方法研究了冷却气流在放大1倍模型涡轮叶片内通道的压力、冷热态流阻及局部换热系数分布。得出了相应的经验公式。冷却空气径向进入前缘冷却通道, 到顶端折而向下在两隔板间流动, 大部分空气经隔板5个穿孔弦向流入带三排扰流柱的收缩通道, 并弦向排出叶片尾部。      

低压涡轮叶片内冷通道不同强化换热方案的换热特性

利用数值计算和实验相结合的方法,对原型涡轮叶片、改进型叶片和简化后的内冷却通道的模型进行了研究。结果表明,改进的内部冷却通道结构较原型结构冷却效果提高了约7.8%。这种结构改型不但可以强化整个通道的换热,使叶片平均温度降低,同时还可以改善壁面温度的分布,消除局部过热产生的热应力。      

内冷涡轮叶栅三维气热耦合数值模拟

为了研究涡轮动叶的内部冷却技术,对采用绝热边界的实心叶片、采用气热耦合的实心叶片和采用气热耦合的空冷叶片进行了研究.发现叶片导热对叶片温度场的影响相当显著;具有带肋蛇形通道和涡流矩阵肋片的内冷结构能使叶片温度大幅下降,但叶片表面温度分布不均匀性增大,换热系数沿叶片表面呈不规则分布.      

高压涡轮工作叶片内部流场特性试验研究

为研究变工况特性下涡轮叶片内部通道流场特性，选取高压涡轮二级工作叶片内部通道作为研究对象，在5种不同的进口雷诺数（Re）工况下，利用TRPIV（时序PIV）技术对通道内的流场特性进行了试验研究。Re变化为32426～64700，模拟了飞行循环过程中的若干典型工况。在先进加工技术的辅助下，保留了真实叶型约束下的完整内冷三通道带肋结构，捕捉到一些不同于常规截面两通道模型等简化模型中的流动现象，包括：弯头区域不对称主流分离结构和非对称二次涡系。通过数据分析，明确了高、低雷诺数下流动特性的差异。在高Re工况条件下，弯头出口附近的冲击区域增大；对于第一通道内的二次流，在接近弯头位置处，横向速度分量会导致纵向涡对的强度被削弱，高Re工况下拥有更加剧烈的影响，极有可能削弱吸力面的换热强度。     

Design and experimental study of a micro-groove grinding wheel with spray cooling effect

The effectiveness of grinding fluid supply has a crucial impact on grinding quality and efficiency in high speed grinding. In order to improve the cooling and lubrication, through in-depth research of self-inhaling internal cooling method and intermittent grinding mechanism, a new spray cooling method used in high speed grinding is proposed. By referring to the structure of bowl- shaped dispersion disk, the grinding wheel matrix with atomization ability is designed; through studying heat transfer of droplet collision and the influence of micro-groove on the boiling heat transfer, grinding segment with micro-groove is designed to enhance the heat flux of coolant and achieve maximum heat transfer between droplets and grinding contact zone. High-speed grinding experiments on GH4169 with the developed grinding wheel are carried out. The results show that with the micro-groove grinding wheel just 5.4% of pump outlet flow rate and 0.5% of spindle energy is needed to reduce the grinding temperature to 200℃, which means the developed grinding wheel makes cooling high efficient and low energy consuming.     

气膜出流条件下回转通道流动特性的实验研究

采用实验方法研究气膜出流条件下带肋回转通道流动特性,其中回转通道为带90°直肋变截面通道。根据研究问题的特点,利用单元分析方法,定义了壁面有效压力及单元有效压力系数。结果表明:通道出口段存在气膜出流与无气膜出流情况相比出口段有效压力分布发生变化,并且使整个通道的流阻下降。影响流动的主要因素是通道的阻塞比、长径比、宽高比、气膜出流比和进口雷诺数。