有无叶顶冷却涡轮叶栅气热性能的旋转效应研究

为揭示叶片或机匣旋转条件和叶顶冷却对涡轮动叶气热性能的影响机理,选用LISA 1.5级涡轮动叶片,构建叶顶冷却孔,开展了不同冷气流量下的数值模拟研究。计算结果表明:不同旋转条件下,当冷气与主流的流量比为0.3%时,叶栅能量损失最低,当流量比为1.0%时,间隙泄漏流量最低、叶顶传热性能最好。叶片旋转、机匣旋转和平移运动都能降低泄漏损失和泄漏流量,叶片旋转时,叶栅出口下游上半叶高截面的能量损失最大降低约26.10%。旋转效应对泄漏损失的影响不随流量比变化而改变,但对叶栅总损失和叶顶传热品质的影响随流量比增加会不同。当流量比小于0.3%时,叶片旋转情况下叶栅总损失低于静止工况但高于机匣运动工况,且叶顶传热品质最优;当流量比大于0.7%时,叶片旋转使叶栅总损失最高,机匣运动使叶顶传热品质最优。     

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。      

跨声速叶栅中气膜冷却对平面叶尖流动和传热特性的影响

采用数值模拟的方法,研究了主流跨声速条件下,高压涡轮中平面叶尖上气膜冷却的流动和传热特性.在不带冷却的平面叶尖上,激波在端壁和叶尖表面来回反射,从叶片中部到尾缘,叶尖表面传热系数呈现条带状分布.采用气膜冷却方法后,冷却气体使得叶尖间隙内的流体减速,激波和叶尖上表面传热系数分布的条带结构不明显.冷却气体覆盖了冷却孔下游的区域,当冷却孔进口和叶栅进口总压比从0.7增大到1.0时,叶尖平均气膜冷却效率从18.7%下降到11.5%.和不采用气膜冷却的平面叶尖相比,当气膜孔进口和叶栅进口总压比为0.9时,叶尖平均表面传热系数增加了16.9%,传热量降低了8.7%.      

叶尖及尾缘出流条件下内部冷却通道换热实验

为掌握某型高压涡轮叶片叶尖及尾缘出流流量分配比例对内部冷却通道换热特性的影响,利用瞬态液晶测量技术研究不同进口雷诺数、4种出流流量分配比例下局部换热分布规律及平均换热变化趋势.实验结果表明:相同出流流量分配比例、不同进口雷诺数下局部换热分布规律相似,出流流量分配比例对局部换热分布规律有决定性影响,主要体现在第2及第3通道,叶尖出流孔1出流会削弱这两个通道的局部及平均换热;叶尖出流孔2和尾缘间出流流量分配流量比例变化对第1、第2通道的局部及平均换热影响不大,影响主要在第3通道,提高尾缘出流流量分配比例会显著增强第3通道局部及平均换热.      

小高径比扰流柱冷却通道的换热和流动特性

采用数值模拟的方法,对涡轮叶片尾缘处圆形小高径比扰流柱冷却通道的换热和流动特性进行了研究,分析进口雷诺数和扰流柱间距对冷却通道换热和流动特性的作用过程.结果表明:进口雷诺数的提高能够有效改善冷却通道端壁的换热性能,但这种改善能力随着进口雷诺数的提高而逐渐减弱,同时降低冷却通道的压力损失系数.在两种扰流柱间距中,流向间距是影响端壁换热性能的主要因素,随着流向间距的减小,冷却通道换热性能逐渐变好,压力损失系数降低;横向间距是影响冷却通道流动损失的主要因素,两者大小成反比关系.在通道计算中,扰流柱平均换热性能约是端壁平均换热性能的1.8倍,端壁换热权重约是换热面积比0.824倍,同时该权重几乎不受进口雷诺数的影响.      

下缘板孔对涡轮叶片尾缘内冷通道流动换热影响的数值研究

涡轮叶片下缘板出气孔对内冷通道的流动和换热性能有较大影响。通过数值模拟方法研究下缘板出 气孔对尾缘和下缘板双路出气涡轮叶片尾缘内冷通道内的流动和换热特性,对比分析孔径、孔形和孔位置对尾 缘溢流孔流量系数、尾缘出流比、尾缘通道内总压系数和尾缘内冷腔壁面换热特性的影响。结果表明:下缘板 出气孔孔径对流量系数分布的影响显著,孔径增大,尾缘溢流孔流量系数下降,尾缘出流比减小,尾缘内冷通道 内压力损失降低,内冷腔平均换热系数增大;孔形对上游内冷通道内流动和换热几乎没有影响;孔位置变化对 内冷通道壁面整体的换热系数影响很小,对局部影响较大。     

瞬态法测量高转速旋转盘表面传热系数

将实际发动机涡轮盘冷却系统简化为中心进气旋转盘,用瞬态实验的方法对该结构的换热特性进行了研究.以高转速旋转换热实验台为基础,建立了转静系盘腔中瞬态换热的实验流程和数据处理方法,得到了转盘表面的努塞尔数,并研究了流量系数、旋转雷诺数和出气间隙比对努塞尔数的影响.研究结果表明:对于中心进气冷却结构,在转盘低半径处,转盘表面的表面传热主要由冷气冲击控制,随着半径的的增大冲击对换热的影响减弱.转盘表面的努塞尔数随冷气流量系数的增大而增大,随旋转雷诺数的增大而增大,随出气间隙比的增大而减小.      

旋转状态下气膜冷却特性的数值研究

 通过对带有气膜孔倾斜角度为30°,60°和90°圆柱形交错孔排的涡轮叶片模型进行数值模拟,得到了不同平均吹风比、雷诺数和旋转数情况下前缘面侧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在前缘面侧向高半径处发生偏转,导致壁面冷却效率降低;雷诺数的增大会降低壁面上的气膜冷却效率,高吹风比则不利于紧贴气膜孔下游区域的冷却;各气膜孔的流量系数随着平均吹风比的增大而增大,随旋转数的提高而减小;受哥氏力作用的影响,相同工况下后缘面侧各气膜孔的流量系数明显高于前缘面侧对应气膜孔的值。     

高主流湍流度下密度比对涡轮导叶全气膜冷却特性的影响

为了研究高主流湍流度下二次流密度比对涡轮导叶全气膜冷却特性的影响,使用热色液晶测量了在主流湍流度为15%,二次流密度比为1.0和1.5下三维涡轮导叶的气膜冷却效率和换热系数。二次流与主流质量流量比为7.0%和12.5%。结果表明:二次流密度比增大可以降低冷气射流的动量,小流量比工况下,在叶片前缘和压力面前半段,动量较低的二次流在高主流湍流度的影响下更易耗散,增大二次流密度比使冷却效率明显降低;大流量比工况下,二次流动量降低使气膜孔后区域冷气贴附性增强,气膜冷却效率和冷气覆盖效果均得到提升。小流量比工况下,二次流密度比增大对叶片表面换热的影响较小;大流量比工况下,二次流密度比增大使吸力面中弦区域和压力面后半段的平均换热系数比分别降低15%和25%。     

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。     

适用于旋转通道各向异性湍流模型

基于代数雷诺应力方程的简化模型,并结合充分发展旋转通道的直接数值模拟（DNS）湍流脉动数据,发展了一种适用于旋转通道的各向异性k ω模型。采用该模型对进口雷诺数为6000,旋转数为0~0.26的旋转直通道进行模拟,结果表明:将旋转修正系数乘以传统的湍流黏度发展的各向异性k ω模型,能够准确地描述旋转状态下前缘面和后缘面的换热情况,是一种有效的各向异性湍流模型修正方法;旋转修正系数是否合理的关键是对雷诺应力比值进行准确地描述;通道的换热效果与旋转数和流向沿程无量纲位置有关,前缘面的换热随旋转数和无量纲流向距离的增加而减小,而后缘面的换热随旋转数和无量纲流向距离的增加而增大。      

扰流柱对叶片尾缘对流换热特性的影响

为了研究扰流柱对涡轮叶片尾缘对流换热特性的影响规律,设计了4种不同结构的扰流柱,采用红外热像仪分别对不同形状和排列方式的扰流柱对叶片尾缘气膜冷却特性的影响规律进行了实验研究.研究结果表明,在吹风比较低时,水滴I型扰流柱叶片尾缘的对流换热特性较好;吹风比较大时,圆柱型扰流柱叶片尾缘的对流换热特性较好,水滴Ⅱ型扰流柱叶片尾缘的对流换热系数最小.      

外缘轴向进气的旋转空腔主盘局部换热及流阻特性研究

某型发动机的实际涡轮盘腔冷却结构被简化成外缘轴向进气的旋转空腔模型,以实验方法研究了旋转雷诺数(Re_ω)、冷气雷诺数Re_z)、哥拉晓夫数(Gr*)对主盘局部换热及流阻特性的影响。实验发现,冷气雷诺数、哥拉晓夫数的增大,使主盘局部换热系数在盘缘附近迅速增大,而在接近盘心时出现负值。阻力系数随旋转雷诺数的增大而减小,随冷气雷诺数的增大而增大。      

通道参数对再生冷却通道流动换热的影响

应用RSM模型对冷却通道的流动与换热进行了三维数值模拟,冷却剂为气氢,考虑其物性随温度和压力的变化.所得结果表明:增加壁面粗糙度使冷却剂换热强化,但会增加流阻损失;在突扩突缩区域会出现旋涡,旋涡使局部流阻损失加大且使湍流加强,壁温在旋涡出现处降低;冷却通道内的流动发展不受入口湍流强度的影响;冷却剂离心力引发径向平面内的二次流动,二次流引起的冷却剂质量重新分布使传热在凹曲率段强化,凸曲率段恶化.      

带60°肋U型通道中气膜孔对通道换热特性的影响

以航空发动机涡轮叶片中段内部冷却通道为研究对象,将其简化为带肋变截面U型通道。对通道内有气膜出流时的换热特性进行了实验研究。实验模型中,矩形肋对称布置在上下2个表面,气膜孔仅布置在第2通道内。文中定义了气膜开孔率的概念,采用单元分析法研究了气膜开孔率和出流比对通道内单元努塞数分布和第2通道压力分布的影响。实验结果表明,气膜出流比一定时,随着开孔率的增加,换热增强;在两肋之间的3个气膜孔中,肋后孔对通道换热影响最大;气膜出流比与通道努塞数的关系为二次曲线。      

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。     

有无内部对流换热对导叶冷却效果影响的数值研究

根据导向叶片的曲面结构,运用剪应力输运方程(SST)湍流模型,在不同冷气入口压力条件下,对涡轮叶栅通道内部的三维流场和圆形气膜孔叶片型面的冷却效果进行了数值模拟.计算针对两种情形,即叶片内部有对流换热的情形和无对流换热的情形,结果表明随着冷气入口压力的增加,叶片有无内部对流换热的冷却效果也在增加;有内部对流换热的冷却效果较纯气膜冷却的高,尤其是在叶片前缘.      

汽雾两相流强化冷却燃气轮机叶片内冷通道

实验研究了方形通道这一重型燃气轮机中常用叶片强制对流冷却通道结构.分析了雷诺数、壁面热流密度以及水雾质量流量比等关键参数对汽雾冷却通道的传热特性的影响,并建立了考虑离散相水雾的流动工况和通道壁面加热条件的实验关联式.结果表明:相对于纯蒸汽,汽雾两相流的传热系数显著提高,且传热性能提高的幅度随热流密度的增大而减小,随雷诺数和水雾质量流量比的增大而增大;通道上壁面平均传热系数低于下壁面,在高热流密度和低水雾质量流量比下,两者相差约13%,而在低热流密度与高水雾质量流量比的情况下,该比值增加到约25%.      

涡轮叶片尾缘出流对带叉排扰流柱阵列的内冷通道传热特性的影响

本文用实验的方法模拟研究了涡轮叶片尾缘出流对带叉排扰流柱阵列的内冷通道的对流换热特性的影响。实验模型通道为矩形通道,扰流柱的排列参数S_n/d为6.5,S_p/S_n为1.2,其中d为扰流柱的直径,S_n为扰流柱横向间距,S_p为2倍的纵向间距。矩形模型通道的长边与转轴的夹角为20°。研究了出流孔总面积A₀与通道最大截面积A的比值,雷诺数Re,转动数R₀等参数对传热特性的影响。并比较了尾缘出流与叶尖出流的换热特性。      

发散冷却与槽缝射流对涡轮静叶端壁气热性能影响的研究

燃烧室壁面发散冷却气流影响下游涡轮静叶端壁的气热性能,论文采用数值求解三维Reynolds-Averaged Navier-Stokes（RANS）方程和SST湍流模型的方法研究了燃烧室壁面发散冷却和前缘槽缝射流作用下的涡轮静叶端壁流动结构和传热冷却特性。分析了3种发散冷却流量质量比和3种前缘槽缝射流质量流量比下的涡轮静叶端壁绝热有效度、静叶叶片泛冷却特性和叶栅流动结构。研究表明：在3种发散冷却气质量比工况下,槽缝射流质量流量比由1.0%增加至1.5%时,整体绝热冷却有效度可至少提升60%,且叶片前缘与压力面角区也得到充分冷却;发散冷却质量流量比增加会改善叶栅出口下游部分端壁冷却效果。上游发散孔流量大于下游孔且槽缝吸力面侧局部质量流量比高于滞止点附近位置,发散冷却与槽缝射流流量增加能够减小冷却气流量局部差异。发散冷却与槽缝射流流量增加会削弱马蹄涡,增强空腔涡,并对二次涡产生影响,从而改变冷却气流覆盖特性。静叶端壁气热性能的研究需要考虑上游燃烧室壁面发散冷却的影响,论文的工作为涡轮静叶端壁冷却性能分析提供了参考。