旋转条件下“冲击/出流”双层壁内部换热实验

以高效航空发动机涡轮叶片内部冷却为研究背景,在旋转条件下对带气膜出流的双层壁内部冲击换热特性进行了研究.实验在旋转与冲击方向相同和相反两种情况下进行,得到了冲击雷诺数Rej(5 000～10 000)、旋转数Ro(0～0.003 532)、无因次温比(Tw-Tf)/Tw(0.061～0.136)的变化对冲击靶面换热特性的影响规律;通过对"双层壁"的实验结果与常规"冲击/气膜"冷却结构的实验结果的比较发现,在不同的流动和旋转状态下,前者换热能力强于后者15%以上.      

带气膜出流的旋转叶片冲击冷却的实验研究

用实验方法研究了放大 4倍的涡轮叶片前缘模型在旋转状态下,带气膜出流时叶片内冲击面的换热特性。实验结果表明:雷诺数的增加显著地增强了换热,但叶片前缘和尾缘的增加是不同的,而浮升力对换热的影响是复杂的;在低雷诺数的情况下,旋转对换热影响不明显,而在高雷诺数时,会使换热降低。      

旋转半受限单孔冲击局部换热特性实验

利用热膜法测量局部换热系数Nu,对旋转条件下半受限冲击射流的换热特性开展了实验研究.通过改变冲击雷诺数Re(20 00035 000)和旋转数Ro(00.003 441)等参数,讨论了旋转状态对半受限单孔冲击换热特性的影响.实验结果表明:旋转显著影响了冲击靶面的局部换热系数分布规律.在实验工况范围内,靶面局部(平均)Nu数均是先随着旋转数Ro的增加而增强,后又随着旋转数Ro的增加而减小.实验中还观察到同静止情况相似,旋转条件下半受限冲击射流的冷却效果也是随着冲击Re的增加而不断提高.      

射流、旋流、出流共同作用下矩形通道换热特性

在放大模型上详细研究了不同雷诺数和出流比下涡轮叶片内冷通道中冲击靶面、出流面和冲击侧面的换热特性.采用热色液晶瞬态测量技术测量通道内部各个面的传热系数,得到以下结论:靶面直接受到射流的第一次冲击,射流形成旋流对出流面进行第二次冲刷,对冲击侧面进行第三次冲刷;靶面受到冲击孔射流的直接冲击,因此换热最强;冲击侧面只受到旋流、横流影响,因此换热最弱;冲击和旋流是通道各个面换热强化的主要原因;换热随雷诺数的增大而增强.出流比对各个面的换热分布及大小也有一定影响.      

粗糙度对不同尺度的双层壁结构冲击换热特性影响

为了探讨精密铸造涡轮叶片内部表面粗糙度对冲击换热特性的影响,数值模拟研究了粗糙度分别为0μm,10μm,20μm,30μm,冲击雷诺数为1×10~4~5×10~4,大、小两种尺度的双层壁结构靶面换热系数。采用瞬态液晶技术测量了大尺度模型粗糙度为0μm时靶面换热系数。结果表明,大尺度光滑靶面换热系数数值模拟结果和实验数据吻合较好。两种尺度的光滑壁面换热系数经无量纲处理后基本相同。粗糙度增加使小尺度靶面换热系数增大,冲击雷诺数越大,粗糙度对换热系数影响越明显,冲击雷诺数从1×10~4增加到5×10~4,相比于光滑靶面,粗糙度为30μm时平均换热系数提高了6%~48%。粗糙度对大尺度靶面换热系数影响非常小。     

高旋转数下45°斜肋回转通道平均换热特性研究

为了更加深入地研究涡轮叶片回转通道的换热特性,研究了高旋转数下带45°斜肋回转通道的平均换热特性。在通道进口雷诺数从10000~70000,旋转数从0~2.07的范围内,实验研究了旋转状态下,方形截面带45°斜肋U型通道径向出流与径向入流两个流程四个侧面在0°,22.5°和45°三个安装角下的平均换热系数。研究结果表明:45°斜肋增强了通道换热,减弱了旋转对换热的影响;由于浮升力作用在肋间二次流上,导致通道内外侧出现临界回流现象;转角减弱了第一通道旋转对换热的影响,增强了第二通道旋转对换热的影响,其影响在低旋转数下并不显著,在高旋转数下开始变得明显。     

温度比对旋转直肋双通道换热特性的影响研究

为了研究旋转涡轮叶片内部冷却通道的换热特性,将叶片内冷通道简化为带90°直肋的旋转双流程方通道,通过旋转加热实验的方式研究了温度比对旋转直肋双通道换热特性的影响。实验进口雷诺数范围为1×104~5×104,旋转数范围为0~2.02,实验平均温度比分别为0.11,0.16,0.20。研究结果表明,与光滑通道实验数据相比,90°直肋削弱了旋转对换热的影响,同时破坏第二通道后缘面附近的不稳定二次流,造成后缘面换热弱于前缘面;温度比是通过改变冷却空气物性与通道内浮升力对旋转通道换内热特性产生影响,温度比的提高引起的物性变化对通道换热具有削弱作用,静止情况下温度比0.20对应的换热与温度比0.11相比,被削弱程度可达16%,而浮升力对换热具有增强作用;低旋转数下,由温度比引起的浮升力作用与物性作用相互中和,高旋转数下温度比的增大对通道换热特性的增强作用更加明显,并且第二通道换热特性受温度比变化影响较第一通道小。     

侧向射流位置对旋转楔形通道换热分布的影响

在主流入口雷诺数为15000,最大流量比(侧向射流流量和主流流量的比值)与最大旋转数分别为04和023的范围内,实验研究了三个不同位置引入侧向冷气射流冲击对楔形通道内换热分布的影响。实验结果表明:静止状态下,侧向射流冲击只能强化侧向射流孔附近区域的换热;旋转状态下,侧向射流对主流上游的影响区域扩大,并减缓了射流区域的冷气侧向出流,缩小了射流区域内前、后缘面的换热差异,当射流区域的换热效率最高时,该差异最小。为提升通道的平均换热效率,降低旋转对换热的不利影响,侧向射流孔应在通道的中上部,流量比控制在对应的临界值以下。      

有初始横流的冲击壁面强化的换热特性实验研究

对初始横流的冲击壁面强化的换热特性进行了实验研究。实验的参数范围：Ｒｅｊ＝５０００－２００００，Ｚｎ＝１－３，Ｇｃ／Ｇｊ＝１－１．３。实验表明：随着初始横流的增加（Ｇｃ／Ｇｊ的增大），将改善冲击粗糙肋靶面的换热特性；Ｚｎ的变化对换热有着明显的影响，存在一个最佳值；实验结果还表明冲击孔与粗糙肋相对位置对换热有影响。     

旋转条件下半封闭空间内多孔冲击平均换热特性实验

通过实验研究了冲击雷诺数Rej、旋转雷诺数Reω、以及冲击孔的排列方式、冲击孔到靶板之间的距离等参数,对旋转条件下半封闭空间内多孔冲击平均换热特性的影响.实验结果表明:随着冲击雷诺数的增大,多孔冲击的平均Nu数显著提高;随着旋转雷诺数的增大,平均Nu数稍有提高,但变化幅度不大;冲击孔的排列方式对平均换热效果也有一定的影响,叉排式稍优于顺排式;并且实验得出,冲击孔到靶板之间的距离为4倍冲击孔直径时多孔冲击平均换热效果最佳.     

Flow and Heat Transfer Characteristics in Rotating Two-pass Channels Cooled by Superheated Steam

In a modern gas turbine,using superheated steam to cool the vane and blade for internal convection cooling is a promising alternative to traditional compressor air.However,further investigations of steam cooling need to be performed.In this paper,the three-dimensional flow and heat transfer characteristics of steam are numerically investigated in two-pass square channels with 45° ribbed walls under stationary and rotating conditions.The investigated rotation numbers are 0 and 0.24.The simulation is carried out by solving the Reynolds averaged Navier-Stokes equations employing the Reynolds stress turbulence model,especially considering two additional terms for Coriolis and rotational buoyancy forces caused by the rotating effect.For comparison,calculations for the air-cooled channels are done first at a Reynolds number of 25 000 and inlet coolant-to-wall density ratio of 0.13.The results are compared with the experiment data.Then the flow and heat transfer in steam-cooled channels are analyzed under the same operating conditions.The results indicate that the superheated steam has better heat transfer performance than air.Due to the combined effect of rotation,skewed ribs and 180° sharp turn,the secondary flow pattern in steam-cooled rotating two-pass channels is quite complex.This complex secondary flow pattern leads to strong anisotropic turbulence and high level of anisotropy of Reynolds stresses,which have a significant impact on the local heat transfer coefficient distributions.     

双排簸箕形气膜孔下游换热研究

对双排差排簸箕形气膜孔排下游的换热进行了实验研究,测量了孔排下游的局部换热系数分布,分析了孔排下游换热系数比的分布以及吹风比、气膜孔出流雷诺数和孔排距对平均换热系数比的影响.结果表明:相对单排气膜孔出流的情况,双排气膜孔下游换热有所增强,但分布更均匀;换热系数比随吹风比的增加先减小后增大,在吹风比为1.0时达到最小;双排气膜孔出流对换热的增强效果随孔排距的增加先增大后减小,在孔排距为10D时最大.      

转子叶片径向受限的“冲击-气膜出流”冷却结构流动与换热

为揭示转子叶片径向受限的"冲击-气膜出流"冷却结构流动换热规律,以某型双层壁叶片肋化分割形成的冷却单元为研究对象,通过数值模拟的方式,对冲击雷诺数Rej,旋转数Ro,无因次温比(Tw-Tf)/Tw等参数变化下流场和换热特性变化规律展开研究。结果表明:在哥氏力和离心力作用下,受限空间内存在射流偏转、径向二次流动以及二次冲击等现象;流动的径向受限可抑制射流偏转,强化冲击换热;相同的旋转数Ro下,逆转向冲击(叶背区)换热努赛尔数Nu比顺转向冲击(叶盆区)高8%。在研究的参数范围内,数值模拟和试验结果说明径向受限周向出流结构能有效的抑制旋转对换热的削弱。     

带前缘冲击复杂叶片内冷通道换热特性实验

采用瞬态热色液晶方法对不同雷诺数下静止状态涡轮工作叶片带前缘冲击复杂蛇形通道的换热特性进行了考察,得到了不同位置吸、压力面的表面传热系数分布.实验结果表明:相同雷诺数下,叶片通道内表面带肋区域两肋间的局部换热强于光滑区域,相邻两肋间的传热系数沿流动方向呈单峰分布.随着雷诺数增加,内表面传热系数提高,在弯头下游的光滑区域离心作用加强,带来该处局部换热分布不均匀,而弯头下游肋的出现可以削弱这种效果.此外,通道的收缩扩张导致主流速度的变化也给局部换热的数值和分布带来了影响.      

叶片前缘旋流和常规冲击对比数值研究

为了寻求更好的叶片前缘内冷结构,对旋流冲击和常规冲击的流动和传热特性进行了数值模拟,对比研究了二者的涡流结构、传热强度、流动阻力、综合传热性能和热均匀性,研究了通道Re数和冲击间距对这些参数的影响。结果表明旋流冲击形成的旋涡有利于传热的增强和热均匀性的提高。在所研究的Re数（2×104~7.78×104）和冲击间距（3.3~5倍直径）范围内,旋流冲击与常规冲击相比平均传热增强18%~34%,增幅随Re数和冲击间距的增大而增大;流阻增大10%~26%,增幅随Re数和冲击间距的增大而减小;综合传热性能增强20%左右;热均匀性提高60%左右。     

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.      

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。