冷气射流对航空发动机涡轮气动损失的影响

为了研究不同射流环境对航空发动机涡轮叶片气动损失的影响，采用数值模拟的研究方法，分别考虑压力面与吸力面2 种气膜冷却打孔方案，总结在不同吹风比条件下叶栅通道内部流场环境特点，以及不同流场环境下叶栅损失的变化规律。结果表 明：叶栅通道内部气膜冷却射流环境分为低动能比射流环境（动能比小于1）与高动能比射流环境（动能比大于1），这2种射流环境 的边界层、叶栅出口二次流损失、动能亏损情况以及叶栅出口的总压损失系数有不同的变化特点：在低动能比环境下，冷气射流会 贴附壁面流动，进而影响边界层；在高动能比环境下，冷气射流直接与主流掺混。吸力面的冷气射流对叶栅气动损失有较大影响， 当射流动能较大时，使叶栅总压损失变化50%以上；而压力面的冷气射流对叶栅气动损失影响很小，经过计算，压力面的冷气射流 仅使叶栅总压损失系数最大变化0.64%。     

气膜冷却对激波与边界层相互作用影响的数值模拟

针对跨声速平面叶栅中气膜冷却对流场的影响,采用数值模拟的方法,分析了激波和边界层的相互作用及引入气膜冷却之后三者之间的影响。结果表明,由于激波形成的逆压力梯度导致边界层出现分离现象,在引入冷却射流以后被部分抑制,流场细节显示在原分离处新形成了两个方向相反的分离旋涡。保持冷却条件不变,随着孔间距的减小,边界层分离现象被抑制的效果更加明显,平面叶栅热力损失系数逐渐减小。当孔径和孔间距之比达到0.67时,相对于没有引入气膜冷却的情况,热力损失系数降低了13%。冷气流量对射流和主流相互作用流场影响显著,冷气出口局部超声速区域显著增大流场损失,降低冷却效果。     

压力面气膜冷却数值模拟

针对典型高压涡轮叶型平面叶栅压力面气膜冷却,采用数值模拟方法,比较分析了不同冷气进口方式对计算结果的影响,并对冷气入射角度等参数对叶栅流场和性能的影响规律进行了研究。结果表明,在没有考虑二次流流动影响情况下,平面叶栅中通过管道给定冷气进口和直接在叶片表面给定冷气进口这两种方式对气膜冷却数值模拟结果影响很小,能量损失系数的差别仅为1%左右。冷气入射增加了叶栅损失,但能量损失系数与冷气入射角度并不是简单的单调关系,在入射角度从15°到60°的变化范围内,能量损失系数存在最小值,对应冷气入射角度在30°左右。     

平面大头叶栅跨声速流动的一种有效解法

准确数值预估叶片头部表面的压力分布,一直是叶片气膜冷却设计中十分重要而又尚未圆满解决的问题。本文针对这个问题提出了一个高准确度、高效率的计算方法。 在文献[1]的基础上,本文从任意正交曲线坐标系中的基本方程出发,引入Von Misses变换,导出了相应的流线控制方程,并具体地在拟边界层坐标系中计算了RA叶栅流场,结果与实验符合甚好,据作者所知,本文方法是已见到的计算同类叶栅方法中准确度最高、花费机时最少的。     

带气膜冷却的涡轮叶栅气动损失的计算

对计算带气膜冷却的涡轮叶栅气动损失的混合层法进行了分析及改进。对叶片上不同部位开孔情况下的气动损失进行了计算 ,结果表明改进后的新方法具有更好的准确性 ,基本达到了工程实用的要求。还预估计算了出流冷气与壁面夹角 φ及出流冷气对主流偏角θ改变时对叶栅效率的影响     

二次流动对气冷涡轮叶栅流场的影响

针对典型跨声速高压涡轮叶型平面叶栅吸力面单排孔气膜冷却,采用数值模拟方法,比较分析了加入气膜冷却前后流场变化。结果表明,由于二次流动的影响,加入气膜冷却以后吸力面后部接近下壁面处没有受到冷气保护而直接暴露于主流高温燃气,在实际高压涡轮中将极大的降低叶片寿命。没有气膜冷却情况下,吸力面接近下壁面处边界层仍有可能因受到二次流动的影响发生转捩;加入气膜冷却情况下,气膜孔中心位置下游边界层由于射流和主流的相互作用将转变为湍流边界层,而由于孔间距的影响,只有射流和主流充分掺混以后才能影响到整个叶片的范围。     

涡轮叶栅超声速流场流动特征与气膜冷却特性

应用shear strain transport(SST) k-ω 两方程湍流模型,对超声速涡轮叶栅通道内气膜冷却特性进行数值研究,得到不同气膜孔倾角和吹风比下叶栅通道内流场流动特征以及气膜冷却效率的变化规律.在激波入射点附近的气膜射流能够向分离区边界层中补充动量,克服逆压力梯度,有效改善由于激波引起的局部过热.亚声速流动状态下的气膜入射角度对冷却效率的影响能够在较大吹风比下得以体现,而超声速主流状态下,气膜冷却效率与入射角度基本无关,说明亚声速的气膜冷却射流对超声速主流的穿透力要弱于对亚声速主流的穿透力;超声速主流条件下,在激波入射位置的气膜冷却效率要高于激波入射位置下游的气膜冷却效率,这与气膜孔出流在当地的湍流度有关.      

大转角反弯叶栅气膜冷却实验研究

对大转折角气冷涡轮直、反弯叶栅出口流场进行了不同位置10排孔喷气及多排孔喷气等26套冷却方案测量。结果表明,无冷气喷射时反弯叶栅内损失高于直叶栅;压力面、吸力面近尾缘处喷气可降低叶栅损失;反弯叶栅前部多排孔气膜冷却的损失增加值要低于直叶栅,后部多排孔喷气则可降低叶栅损失。      

涡轮叶片表面气膜出流的数值模拟

深入理解气膜出流对涡轮叶栅气动性能和流场结构的影响对于冷却涡轮的设计具有重要意义。本文利用数值模拟手段对涡轮叶栅表面气膜出流与主流相互作用进行了研究,给出了冷却孔附近的三维流场,分析了叶片表面气膜冷却机理以及吹风比对气膜出流与主流相互作用的影响规律。研究结果表明,吹风比增大将导致叶栅内部流动损失增大,且压力面更为明显;当吹风比增大到一定程度,叶片两侧面上将出现掺混肾型涡流动结构,并且在压力面和吸力面诱导出旋向相反的诱导涡。     

一种跨音速叶栅流场分析系统

本文建立了一种工程实用的跨音速叶栅流场分析系统,可进行跨音速叶栅无粘绕流和无粘流-边界层迭代计算。叶栅无粘绕流的计算以Denton拟流向“相对差分”方法为基础,y向采用松驰线性插值算法,所形成的解法能保证以较少的网点获得较准确的结果。边界层的计算采用积分方法,并考虑了紊流边界层的分离问题,文中还介绍了无粘流-边界层的耦合方式。应用本文方法对国内外多种压气机和涡轮叶栅进行了计算分析,所得结果与实验的吻合程度较好,因此,所提出的叶栅流场分析系统,可望为工程设计上实用的计算手段。     

气、液组合膜流对壁面冷却效果的理论及试验研究

本文针对液膜及气膜组合流动的特点,提出了组合薄膜流动的“四层式流场物理模型”.根据所做简化、假设,对液膜区流场结构及冷却效果进行了理论计算,并通过分析方法,对其紧接的气膜段流动及冷却效果进行了理论预估.试验的结果表明:液膜段的理论计算与试验数据基本相符.并从试验中发现了液膜蒸干后气膜段冷却的一些特点.这对研究液体冷却时液膜及气膜组合流动的冷却效果提出了可行的途径.     

一种提高表面完整性的气膜孔成形方法

为了解决目前航空发动机涡轮叶片气膜孔成形工艺存在热影响严重等问题,提出了采用超快激光环切与螺旋扫描的加工方法,设计了一种可实现高效、无热效应气膜孔加工的双激光光源微加工系统,并从作用机理和实际加工过程两方面分析了热效应的产生原因,指出了其中的主要影响因素,然后针对这些因素选用DD6材料进行了工艺参数优化和实验验证.实验结果表明:采用500fs激光与微秒长脉冲激光复合加工的方式可以使精细钻孔的效率提升约10倍,并得到基本无重铸层和微裂纹的涡轮叶片气膜孔;其工艺参数包括扫描速度为2400r/min,重叠率为12%,进给量为5μm,重复频率为20kHz以及0.6Pa同轴吹气.表明超快激光配合合理的工艺参数和加工方式可以实现无热效应气膜孔加工,是一种有效提高气膜孔成形表面完整性的工艺方法.      

基于孔径变化的气膜冷却孔的优化设计

采用Spalart-Allmaras"一方程"湍流模型对前缘上游不同孔径的涡轮叶栅通道的温度场进行了数值模拟,并对结果进行了数值分析,得到了比流量、气膜冷却效率随孔径变化的函数,最后以此对气膜冷却孔进行了优化设计,从而对气膜冷却孔的设计提供了新的思路,为工程设计提供了有价值的参考.     

带有前缘气膜冷却燃气轮机叶片的气热耦合研究(英文)

使用气热耦合数值计算方法对带有"淋浴喷头"式前缘气膜冷却的C3X燃气轮机叶片进行数值模拟。通过对使用不同湍流模型的计算结果与实验测量值进行对比,使用转捩模型能够比较准确的模拟带有气膜冷却射流的边界层内的流动和传热过程。气膜冷却射流在叶片吸力面上游层流边界层区域内表现出比较明显的三维湍流特性,但在吸力面下游边界层转捩为湍流以后,湍流使得气膜冷却射流与主流燃气掺混过程加速而使其三维流动特性迅速消失;在吸力面由于边界层流动始终为层流状态,冷却射流与主流掺混较缓慢而使其仍能保持较强的三维湍流特性。边界层内由高温燃气与被冷却叶片之间温度差形成的温度梯度有益于增强边界层流动的稳定性。     

高温下DD6单晶气冷叶片模拟试样拉伸性能试验

通过选晶法制备DD6单晶薄壁圆管模拟试样,对850℃和980℃两种温度下[001]晶体取向含与不含气膜孔的薄壁试管进行拉伸性能试验研究.结果表明:在850℃条件下,[001]取向含气膜孔的拉伸性能比[001]取向不含气膜孔的拉伸性能降低10.5%;在980℃条件下,[001]取向含气膜孔的拉伸性能与[001]取向不含气膜孔的拉伸性能水平相当,这表明温度越高,气膜孔对薄壁件拉伸性能的影响越不显著;但在980℃ 条件下,[001]取向通气状态的拉伸强度比不通气状态下的拉伸强度提高16%.同时,发现圆管表面状态及通气状态是影响单晶薄壁试样高温性能的重要因素,特别是通气状态的存在显著提高了其高温力学性能.      

冲击发散冷却流场结构PIV测量

为了研究冲击发散冷却结构的流场特性,设计了一典型冲击发散冷却结构,采用粒子图像测速仪(PIV)对其流场特性进行了研究.研究发现,在冲击板与发散孔板间,气流的流动状态很复杂,在各个方向上均形成大量的涡,且涡的形式和强度均随吹风比的变化而变化.在发散气膜侧,随着吹风比的增大,由发散孔流出的冷却气流会逐渐穿透主流,从而使得冷却气膜层愈来愈不稳定,脱离壁面;而在发散孔出口与主流方向垂直的位置会形成一对旋转方向相反的肾形涡,且涡的位置随吹风比的增大而移向主流区域.      

基于流体网络法的喷管冷却气流量分配计算方法

流体网络法对喷管气膜冷却问题具有独特的优势,但难以反映出入流对冷却气流道静压变化的影响。针对此引入了可反映出入流导致静压变化的管道元件,并基于孔口速度落后角对静压变化量进行了建模。验证算例表明,这一改进使沿程静压变化趋势与实际吻合较好,使冷却气流量分配计算误差降低到0.5%以下。将改进后的流体网络法与主流通道的计算流体力学模拟耦合用于分析喷管冷却气流量分配,与全计算流体力学模拟相比结果差异小于1.2%,且大幅降低计算量;在某型喷管设计中的应用表明,可以有效反映冷却结构改变对冷却气流量分配的影响。      

喷管超声段壁面冷却热态试验研究

在高温条件下，对三种轴对称收－扩喷管超声段壁面排气引射冷却方案（缝隙式气膜冷却、离散孔气膜冷却和冲击－气膜组合冷却）进行了试验研究。得到了不同冷却方案的壁面压力分布、壁面温度分布和红外辐射特性，以及冷却气流量对这些性能的影响。结果表明：采用排气引射冷却技术可以大幅度降低喷管的壁温和红外信号特征，其中缝隙式气膜冷却的应用前景最好，离散孔式气膜冷却值得深入研究，冲击－气膜组合冷却不适合作为喷管排气引射冷却的基本方案。     

冲击/发散复合冷却方式发散壁换热系数研究

对航空发动机的一种先进冷却方式,冲击/发散复合冷却方式的发散壁燃气侧换热系数进行了试验研究。考虑了影响燃气侧换热系数的流动和几何参数,它们是主流雷诺数、吹风比以及几何结构。采用比较法研究燃气侧换热系数,基准换热系数与经典传热准则计算值相比,精度在±7%以内。研究发现主流是充分发展湍流时,主流雷诺数对发散壁燃气侧换热系数基本无影响,而吹风比和几何结构是主要的影响因素。多排气膜叠加,也使得换热增强系数沿流向增加。对实验结果总结了经验关系式,可以用于该种冷却结构的传热设计和校验。      

Review on active thermal protection and its heat transfer for airbreathing hypersonic vehicles

Hypersonic vehicles with turbojet, ramjet, and scramjet engines are expected to be widely applied to future transportation systems. Due to high-speed flight in the atmosphere, body outer surfaces suffer strong aerodynamic heating, and on the other hand, combustion chamber inter walls are under extremely high temperature and heat flux. Therefore, more efficient and stable active cooling technologies are required in hypersonic vehicles, such as regenerative cooling, film cooling, and transpiration cooling, as well as their combinations. This paper presents a comprehensive literature review on three active cooling methods, i.e., regenerative cooling, film cooling, and transpiration cooling, and deeply analyzes the mechanism of each cooling method, including the fluids flow, heat transfer, and thermal cracking characteristics of different hydrocarbon fuels in regenerative cooling, the heat transfer and flow mechanism of film cooling under supersonic mainstream conditions, and the heat transfer and flow mechanism of transpiration cooling.