预旋进气小尺寸涡轮叶片冷却的流场研究

为了了解和掌握一种具有直通式冷气预旋进气系统的小型燃气轮机涡轮转子叶片的流场,在旋转雷诺数Reθ=4.66×106和冷却空气的无量纲质量流量Cw=1750时改变预旋角θ的大小,使其在15°～90°变化,通过数值研究得到了预旋角对涡轮盘腔、连管和涡轮叶片内冷却空气的流动以及叶栅通道中燃气的流动的影响。结果表明:(1)预旋角的变化会改变涡轮盘腔、连管和涡轮叶片冷气进口附近局部区域的流场,但是对涡轮叶片内其它区域和叶栅通道中的流动基本没有影响。(2)随着预旋角的增大,涡轮盘腔内预旋进气冷气射流的轴向穿透深度先增大后减小;当θ<45°时冷却空气沿外围屏流向转盘接收孔,而当θ>45°时冷却空气沿内围屏流向转盘接收孔;气流的周向速度随着预旋角的增大而减小。(3)垂直进气时连管内存在多个回流区和很大的涡流,流动损失较大,而采用预旋进气能够减弱或消除这些流动结构,存在最优预旋角θopt,θopt≈45°,此时连管的有效流通面积最大。     

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。     

高温风洞中空冷涡轮叶片冷却特性的实验研究

为了研究涡轮叶片在高温燃气冲刷下的冷却特性,搭建了高温风洞环形叶栅实验台。采用红外热像仪对不同冷气流量比(0.016 ~ 0.036)及温比(0.47 ~ 0.58)工况下涡轮叶片吸力面冷却效率及温比特性进行了研究。结果表明:受叶片前后部冷却腔冷却特性的影响,吸力面前部和后部区域表现出了不同的冷却特性;在实验工况内,流量比从0.016增加到0.036过程中,叶片吸力面前、后部面积平均冷却效率分别增加了 30.4%和49.1%,相对温度分别降低0.017和0.049;当流量比不变,温比从0.47增加到0.58时,叶片吸力面前、后部面积平均冷却效率变化较小,分别减少了 2.9%和9.6%,相对温度分别增加0.013和0.015。     

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。     

涡轮静叶表面全气膜冷却换热实验研究

采用放大的涡轮静叶模型,利用大尺度低速线性叶栅风洞进行实验,测量了涡轮导向叶片表面完全气膜覆盖情况下局部换热系数分布特性.风洞实验段由三个叶片组成,中间叶片为实验叶片,由有机玻璃制成.叶片表面共有54排孔,前缘8排,压力面21捧,吸力面25排.对叶片前腔和后腔表面的换热情况分别进行实验,主要研究了不同质流比对换热特性的影响.研究结果表明:气膜的完全覆盖使叶片表面的换热情况得以明显改善,换热系数的具体分布随质流比的变化有所不同.     

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。     

不同流动配置下涡轮叶片交错肋冷却流动传热特性数值模拟

为掌握交错肋冷却结构应用在涡轮叶片不同区域的流动传热性能,针对一种交错肋冷却结构在三种不同流动配置中在等质量流量和子通道雷诺数工况下进行了数值计算研究,三种流动配置包含了径向流动配置（RFC）, 横向流动配置（CFC）和转折流动配置(TFC)。通过比较本研究得到的数值模拟结果与公开文献中的实验数据,定性定量地验证了本次数值计算的有效性。在等冷却质量流量下,RFC配置拥有最高的平均努塞尔数和压力损失,而CFC和TFC配置的平均传热性能相似且明显降低,但压力损失大大减少。在相同的子通道雷诺数下,三种流动配置下的交错肋通道展现出相似的传热强化性能,但TFC配置的压力损失最小。在研究范围内,在RFC配置中肋表面的平均换热比主表面的平均换热约高出16.3%,而在CFC配置和TFC配置中该值则分别高出38.2%以及 30.6%。不同的流动配置会引发子通道内不同的流动特性,包括流动转折和子通道间的交互作用。     

某型发动机涡轮冷却叶片的流动换热耦合计算研究

在对某型涡扇发动机高压涡轮转子叶片冷却结构分析的基础上,建立了流动换热分析的气热耦合计算模型．采用通用流体力学计算软件完成了高压涡轮转子叶片复杂结构的内外流场和温度场的一体化计算,得到了涡轮叶并流动换热的数值计算结果,对其冷却结构的换热效果进行了分析,并对气热耦合计算在涡轮冷却叶片设计中的应用进行了分析和探讨。     

热辐射对气膜冷却叶片冷却性能影响

针对一种带有气膜冷却结构的涡轮一级导向叶片进行气-固-热耦合数值模拟,通过比较考虑/不考虑热辐射的温比和综合冷却效率,分析了多种辐射因素对叶片表面温度和冷却性能的影响。结果表明:入口黑体辐射温度在1200~1900K之间,叶片表面发射率在0.3~0.7之间时,考虑热辐射作用均会使叶片表面温度明显上升。入口黑体辐射温度1600K,叶片表面发射率为0.5时,叶片压力面温度整体上升约100K,叶片表面最高温度点（1350K）温度上升约50K;气体辐射对叶片吸力面和尾缘区域造成5%左右的温升;考虑辐射作用使得叶片综合冷却效率下降,叶片前缘和压力面尽管布置密集的气膜孔仍然难以满足冷却需求,综合冷却效率下降至0.3以下。      

空心气冷低压涡轮动叶气热耦合数值模拟

以空心气冷低压涡轮动叶为研究对象,采用高质量的流体域和固体域网格控制技术,带转捩模型的双方程SST湍流模型,开展了基于CFD方法的叶片气热耦合问题研究。获得了不同冷气流量比(分别为1.0%,1.38%,1.8%和2.2%)、温比(分别为2.1,2.25,2.3,2.4和2.5)和压比(分别为1.4,1.6和1.8)对叶片换热特性的影响规律,设计状态中截面按弧长平均的叶片壁面金属温度计算值较试验值偏小0.3%,气热耦合计算的叶片壁面温度分布与试验结果吻合良好,验证了气热强耦合计算方法的精度,为涡轮叶片温度场分析提供了一种有效的方法。     

涡轮叶片内部通道流动换热算法改进

在使用工程计算方法对涡轮叶片温度场进行计算时,往往将叶片内流通道简化成光滑或带肋的换热管元件,容易忽略 各内流管段之间的影响,造成计算得到的叶片3维温度场与真实温度场存在较大差异。针对上述问题,为了提高对涡轮叶片3维 温度场模拟的准确度,对涡轮叶片内流通道的换热流动算法进行改进。考虑涡轮内部蜿蜒通道中弯转区和弯转效应2种因素对 涡轮内部流动换热的影响,使用试验得到的数据对2种因素影响区域的换热情况进行修正,利用修正后的算法对某工作叶片进行 温度场计算,并对修正前后叶片温度场进行了对比分析。结果表明：采用修正后算法得到的蜿蜒通道内的气体温度相较于修正前 算法得到的沿程升高更多,修正后算法求得的叶片整体平均温度降低,最大温差增大。     

涡轮叶片内部微小V肋-凹陷涡复合冷却流动与传热数值模拟

为强化航空发动机涡轮叶片内冷通道传热性能,针对带有微小V肋-凹陷涡高效复合冷却结构矩形通道,采用Abe Kondoh Nagano （AKN） k-ε湍流模型数值模拟研究了肋高与凹陷深度组合对流动传热特性的影响机理。结果表明,当凹陷深度一定,复合结构的强化换热效果随肋高增加而增加,3mm肋高复合结构的传热相比纯凹陷提高了87.1%;当肋高一定,传热随凹陷深度增加先增强后基本保持不变,6mm深凹陷复合结构相比纯V肋提高了52.8%。通过在凹陷上游布置V肋,增强了越过V肋冲入凹陷内流体的湍动能,从而使凹陷前部回流区减小;同时来自微小V肋的涡流与凹陷内部的涡流相互作用,增强了整个流场的动量和热量输运,使通道换热均匀,并相较纯凹陷或纯V肋结构均有显著提升。     

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。      

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。     

涡轮动叶表面换热特性的试验研究

航空发动机性能的提高对涡轮叶片耐热极限提出了更高的要求,为了更准确地分析涡轮叶片的传热特性,选取某型气冷涡轮动叶10%、50%和90%叶高的特征型面通过低导热光敏树脂材料经过3D打印而成,通过叶片表面粘贴厚度为0.02mm康铜加热膜接通恒定电流加热,使用红外热像系统精确测量叶片壁面温度,在平面叶栅中研究了吹风比(M)和雷诺数(Re)对气膜绝热冷却效率和努塞尔数(Nu)的影响(试验中基于弦长的进口雷诺数Re为8.0×10⁴-16.7×10⁴,吹风比M为1-3)。试验结果表明：M=1时气膜能够较好附着在叶片表面,叶片表面得到较好冷却;随着主流雷诺数的增加,绝热壁面温度逐渐升高,绝热效率逐渐降低;吹风比对涡轮叶片的传热特性的影响与气膜孔出流角度有关,随着吹风比的增大,压力面绝热冷却效率逐渐增大,由于吸力面的气膜孔出流角较大,吹风比增大使得吸力面的绝热冷却效率逐渐减小;随着吹风比的增加,对流换热系数增大。     

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。     

涡轮叶片表面气膜冷却的传热实验研究

对压力面和吸力面各有双排气膜孔冷却的涡轮导向叶片表面进行了详细的传热实验研究,在不同吹风比下获得了当地气膜冷却效率和换热系数,结合流场测量结果分析了叶片表面冷却和换热规律。结果表明不同孔排位置叶片表面气膜冷却效率和换热规律有很大不同,孔排位置一定时,冷却效果主要由吹风比决定。结果还表明尽管冷气喷射使型面换热系数随吹风比的增大而显著增大,气膜冷却还是能有效的降低型面的热负荷,其中以中吹风比喷射时冷却效果最为显著。     

旋转状态下蛇形通道内流动与换热的机理研究

在已有的实验研究结果的基础上,应用较好符合实验结果的数值模拟程序及划分网格方法,分别数值计算了旋转所产生的几个因素对流动与换热的影响机理。结果表明:由于在垂直于旋转半径截面上哥氏力分布的不均匀,产生了流体流型的两个变化,即主流的偏移和二次流动旋涡的出现。离心浮升力对通道内流动与换热的影响不大。旋转速度变化时,在旋转变化的起始时刻系统的角速度力对通道内流体的流动影响比较明显。各种力的作用综合效果不是简单线形迭加的,而是交替起主导作用,决定流体流动结构、影响换热结果。