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。     

带60°肋和气膜孔矩形通道换热研究

采用非结构化网格和realizable k-ε紊流模型,求解三维N-S方程,对带60°肋和气膜孔矩形通道在入口雷诺数9×104,气膜孔总出流比为0.22时进行了换热特性的数值模拟.带气膜孔的壁面换热特性和实验数据吻合的很好,在此基础上,分析了其它各个壁面的换热特性.结果表明,带肋和气膜孔的通道流场非常复杂,扰流肋的存在使各壁面的换热都得到了增强,但增强幅度的差别较大.换热最强的区域并不是带肋的上下壁面,而是光滑的右侧壁面.     

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。      

带直肋及气膜出流的回转通道内冷气流动特性

将航空发动机高压涡轮叶片内冷通道进行简化,以实验方法研究了带90°直肋及气膜出流的变截面回转通道内冷气的流动特性。根据肋和气膜孔的结构特点,将通道划分为若干个特征单元。结果表明:与无气膜出流时相比,通道出口段存在气膜出流时其有效压力分布发生了较大的变化,使得整个出口通道的有效压力下降,在气膜孔附近压力下降更为明显。在其他条件不变时,与单元内其他位置的气膜孔相比肋后气膜孔出流量较大。      

气膜出流冷气侧气膜孔附近壁面换热特性

为对纯气膜出流冷气侧气膜孔局部换热特性进行实验研究。取气膜孔前后3倍气膜孔径范围为研究对象。通过改变来流雷诺数、气膜出流与来流流密比以及通道高度与气膜孔径比(小于1范围内),对气膜孔的“溢流效应”进行了研究。研究发现,气膜孔局部的换热均随来流雷诺数、气膜出流与来流流密比的增加而强化,随通道高度与气膜孔径比的增大而降低;孔后的换热要好于孔前的换热,各种通道高度与气膜孔径比下,孔后1倍孔径区域努塞尔数普遍比孔前提高大约20%以上;在气膜孔前后越靠近孔的地方换热越强。     

带肋和出流孔通道换热研究

采用热色液晶瞬态测试技术测量了带肋和出流孔通道各壁面的换热系数分布,分析了雷诺数和出流比对换热系数的影响,其中雷诺数的变化范围是20000~80000,出流比的变化范围是0.3~0.6。结果表明:出流比的变化对各壁面均有较大影响,无出流孔带肋壁面的换热沿通道减弱,带肋和出流孔壁面的换热在通道入口处先增大之后沿通道减小;各壁面平均换热增强系数随雷诺数增大而减小。无出流孔的带肋壁面和侧壁的平均换热增强系数随出流比增大而减小,带肋和出流孔壁面的平均换热增强系数不随出流比变化而变化。     

出流孔位置对带肋矩形通道换热特性的影响

为了获得涡轮叶片内冷带肋通道出流孔位置设计参数,采用热色液晶瞬态测量技术研究带有肋和单排溢流孔的内流通道的换热特性,分析出流孔位置对矩形通道壁面换热特性的影响规律。矩形内流通道进口雷诺数Re变化范围是6×104~8×104,通道总出流比Br为0.3~0.60,出流孔分别位于距前肋0.25,0.50,0.75倍肋距处。实验结果表明：出流孔和肋端附近换热得到强化,带肋和出流孔壁面换热最强。在不同孔位置下,带肋无出流孔壁面换热变化不大。出流孔位于肋后0.25倍肋距时,带肋和出流孔壁面和光滑面换热效果最好。     

射流冲击对内冷通道侧壁面换热特性影响研究

建立了前缘梯形内冷通道的放大模型,结合斜射流冲击冷却进行试验测量,研究通道内壁面的换热特性,并结合流场测量结果进行换热分析,更好地理解此类受限通道内冲击冷却的强化换热机理,为更高效的内冷通道设计提供参考。使用热电偶对出流侧壁面温度进行了详细测量,研究射流角度、横流和射流雷诺数对其Nu的影响规律。结果表明:出流孔的抽吸作用会强化孔排上方和下方边缘附近壁面的换热;射流入射角度的增加使出流孔上方壁面的Nu峰值对横流强度变化的敏感度提高;横流会削弱侧壁面上Nu峰值,且对出流侧壁面的不同区域换热情况的影响位置不同;射流雷诺数的增加将大幅提高整个出流侧壁面的换热能力,但对其换热特性规律不会产生影响。     

叶片内部气膜孔附近壁面局部换热特性

对叶片弦中区内部“冲击-气膜出流”冷却方式中气膜孔附近壁面的换热特性进行了实验研究。取气膜孔前后三倍气膜孔径范围为研究对象，重点研究了冲击间距及冲击孔与气膜孔沿流向相对位置对其换热的影响规律。研究发现：对气膜孔前后局部范围，存在最佳的冲击间距与气膜孔径比；同样，对气膜孔前局部范围，也存在最佳的冲击、气膜孔沿流向相对距离与气膜孔径比；随着冲击孔与气膜孔相对距离的增大，冲击对气膜孔局部换热影响变小，气膜“溢流效应”突出，越靠近孔的地方换热越强。     

带90°肋和双排出流孔通道换热特性的实验

采用瞬态液晶测试技术测量了带90°肋和双排出流孔通道有出流壁面的换热分布,研究了出流孔与肋的相对位置、通道雷诺数和出流比对换热的影响.研究表明:肋间换热分布受肋前壁面气流分离,肋间气流再附着和出流的共同作用影响;出流孔位置的改变不会对气流再附着的位置产生明显影响;出流孔靠近上游肋时,回流区的换热得到改善,再附着区的换热被出流作用加强,换热特性变好;平均换热强化效果随雷诺数增大而减小,随出流比增大呈增大趋势,但增大幅度较小.      

叶片弦中区内部气膜孔局部换热特性实验

对叶片弦中区内部有、无冲击射流的气膜出流冷却方式中,冷气侧气膜孔局部换热特性进行了实验研究。无冲击射流时,主要研究了来流雷诺数、气膜出流与横流密流比的变化对气膜孔局部换热特性的影响;研究发现,气膜孔局部的换热均随两者的增加而强化,且孔后的换热要好于孔前的换热,越靠近孔的地方换热越强,并对倾角为30°和90°时气膜孔的“溢流效应”进行了比较。有冲击射流时,改变冲击雷诺数、横流射流密流比等流动参数,通过对数据整理得出了这些参数对其局部换热特性的影响规律。      

稀疏气膜冷气侧局部换热特性实验

涡轮叶片弦中区的冷却为冲击带初始横流和气膜孔溢流的复杂流动换热,通过实验的方法,研究了涡轮叶片弦中区沿流向局部换热特性和靶板平均换热特性随冲击雷诺数、横流射流密流比、气膜出流与横流密流比以及冲击腔高度与冲击孔直径之比的变化规律,并通过气膜出流与横流密流比对局部换热效果、区域平均换热效果以及靶板整体平均换热效果的影响规律揭示气膜的介人对冷气侧换热带来的影响.     

窄通道内冲击冷却局部换热特性的瞬态液晶测量

 为了深入了解涡轮叶片中冲击窄通道内的换热特性,采用热色液晶瞬态测量技术测量了冲击窄通道内全表面换热系数,获得了不同冲击雷诺数Re、相对冲击孔间距S/d以及有无气膜孔出流时通道内各表面的换热系数分布规律。结果表明：冲击通道内各个面的换热系数均随雷诺数的增加而增加,其中冲击靶面的平均换热系数最大,在雷诺数较大时,冲击面的平均换热系数要比冲击侧面的大;气膜孔出流和相对冲击孔间距增大均会使冲击侧面和冲击面的平均换热系数明显减小,而对冲击靶面平均换热系数的影响却较小;各个面上受气流直接冲击的区域换热系数最大,同时冲击孔和气膜孔附近区域的换热系数也很大。     

带肋横流通道中气膜孔位置对气膜冷却特性的影响

采用数值模拟方法研究了横流通道中气膜孔与肋的相对位置对气膜冷却传热系数和冷却效率的影响.分析了吹风比为0.5,1,2,横流比为0.39,0.585,0.78时孔靠近上游肋、下游肋以及在两肋中间时对冷却效果的影响,研究结果表明:孔位于两肋中间时,气体进入孔时受的冲击较大,外表面传热系数和冷却效率较高;孔靠近上游肋时,气体孔内流动更加均匀,外表面传热系数和冷却效率均较低.      

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。     

高速条件下吸力面复合角孔气膜冷却特性

为探究高速条件下涡轮叶片吸力面上复合角孔的气膜冷却特性,在高速风洞中实验测量了吸力面复合角孔的气膜冷却效率与传热系数比,并通过净热通量减少(NHFR)衡量了复合角孔对吸力面的气膜冷却净收益。分析了雷诺数、吹风比以及湍流度对气膜冷却效率、传热系数比及净热通量减少的影响规律,结果表明：低雷诺数下气膜冷却效率受雷诺数影响较大,但当雷诺数增大至6.4×10⁵以上时,气膜冷却效率几乎不再变化;随湍流度的增大,气膜冷却效率整体降低,低吹风比下气膜冷效对雷诺数、湍流度较为敏感。传热系数比随气膜吹风比增加而增大,但在湍流度较大时,气膜冷却对传热系数的影响降低。湍流度的增大使NHFR有所升高。研究表明对高的湍流度工况,吹风比为0.8时复合角孔呈现最佳的气膜冷却性能。     

扩展型面排孔气膜冷却的实验

设计了三种型面的气膜孔扩展结构,研究了气膜冷却效率、壁面换热系数及流量系数随吹风比的变化规律.研究结果表明,与典型的圆柱形气膜孔相比,有后向扩展型面的气膜孔具有相对较高的冷却效率和换热系数,流量系数略有降低.扩展型面的流向扩展角对冷却效率和换热系数的影响大于侧向扩展角的影响.侧向扩展角只在特定吹风比下才对提高气膜的侧向覆盖率、进而提高气膜冷却效率起作用,它使得位于二次流出流下游的低压区域范围增大,流量系数减小.      

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.