涡轮转子叶片异型气膜孔冷却数值研究

采用数值模拟的方法,研究了发动机工作条件下涡轮转子叶片压力面异型气膜孔的冷却特性,分析了吹风比和旋转雷诺数对气膜冷却的影响.结果表明:旋转条件下,气膜射流受离心力和哥氏力作用朝叶尖方向发生偏转,射流涡结构发生改变;随着旋转雷诺数增大,气膜射流向叶尖的偏转量逐渐增加,展向冷却均匀性提高,展向平均冷却效率略有提升;同一转速下扇形孔和收敛缝型孔能有效抑制气膜分离,展向平均冷却效率沿下游单调变化,随吹风比增加而升高,吹风比越小气膜射流向叶尖偏转越明显;旋转条件下,扇形孔与收敛缝型孔射流较圆孔射流仍有明显的冷却优势.      

旋转涡轮叶片端部气膜冷却的数值计算

旋转情况下,考虑离心力场的浮升力以及科氏力对流动的影响,用SIMPLE方法,k-ε湍流模型,并考虑了壁面函数,数值模拟了叶片端部的气膜冷却。和以往观点不同的是:旋转叶片与非旋转的相比,绝热温比高,气膜冷却有所改善,但换热系数大,并初步分析了原因。      

吹风比对旋转涡轮叶片气膜冷却的影响

对1.5级涡轮叶片在旋转状态下不同吹风比时的气膜冷却特性进行了实验研究.实验中基于动叶弦长的涡轮进口主流雷诺数为1.6451×105,冷却工质采用二氧化碳,对应主流射流密度比为1.57,实验涡轮转速为475 r/min,对应旋转数为1.901,吹风比为0.5~2.0.采用稳态液晶方法测温.结果表明:①压力面上,随吹风比的增大,气膜冷却效率升高,气膜覆盖区域增大,气膜轨迹的偏转程度减弱;②吸力面上,随吹风比的增大,气膜冷却效率先上升后下降,气膜覆盖区域亦先增加后减少,气膜轨迹的偏转程度不明显;③射流流动的曲率半径影响气膜对壁面的附着.      

旋转对弯扭涡轮叶片前缘气膜冷却的影响

基于热色液晶(TLC)测温技术,开展了转速(攻角)和吹风比对弯扭涡轮叶片前缘区域气膜冷却效率分布影响的实验研究。实验中涡轮转速分别为400 r/min(正攻角)、550 r/min(零攻角)和700 r/min(负攻角),平均吹风比为0.5~1.25。冷却工质采用氮气,对应的射流-主流密度比为1.04。基于涡轮动叶弦长的涡轮出口主流雷诺数为60 800。实验结果表明:转速是决定涡轮叶片前缘气膜冷却效率分布最重要的参数之一。随着转速的增大,滞止线的位置会从压力侧(PS)移动到吸力侧(SS)。当吹风比相同时,面平均气膜冷却效率随转速的增大而逐渐增大;当转速相同时,面平均气膜冷却效率随吹风比的增大而增大。      

旋转状态涡轮叶片吸力面单孔气膜冷却实验

采用稳态液晶测温方法,系统研究了1.5级涡轮叶片吸力面在旋转状态下的气膜冷却特性.实验中,主流经加热压缩后冲击涡轮转动,基于动叶弦长的涡轮进口主流雷诺数为8×104.射流分别采用空气和二氧化碳,其对应射流-主流密度比分别为1.03和1.57.实验转速为630,700 r/min和737 r/min,对应旋转数分别为2.092,2.324和2.448.吹风比从0.3到3.0变化.结果表明,吸力面上,气膜冷却效率随吹风比的增大先上升后下降,存在一个最佳吹风比,使冷却效果最好;增大密度比有利于增加气膜覆盖面积;旋转降低了气膜冷却效率;气膜向低半径方向偏转,但并不十分明显.      

带密布气膜冷却孔的涡轮叶片等效应力分析方法研究

以带气膜冷却孔的航空燃气涡轮发动机涡轮叶片为研究背景,引入了等效概念对密布小孔结构进行了详细的应力-应变分析。这种等效分析方法是把多孔材料转化为具有等效材料常数的等效实体材料。根据MARC大型通用软件的线弹性及弹-塑性有限元应力分析结果,将小孔效应转化为等效弹性常数及等效应力-应变曲线。最后以某发动机高压涡轮工作叶片为例,将得到的等效材料参数引入到叶片的有限元强度计算中,从而得到考虑密布孔影响的涡轮叶片应力应变场,并通过子模型计算得到更为准确的孔边最大应力。     

涡轮叶片前缘双排孔气膜冷却数值模拟

为了解冷气喷射对涡轮叶片前缘气膜冷却特性的影响,对圆柱形前缘双排孔气膜冷却进行全三维N-S方程数值模拟。计算域网格采用FNM形式的多块结构化网格。研究了射流与主流的流动机理,分析了不同吹风比下对壁面冷却效率的影响。计算结果表明,壁面平均绝热效率随吹风比的增大而升高。针对第二排孔结构参数进行优化设计,优化后的冷却效果要明显优于原始结构。     

复合角对涡轮叶片旋转气膜冷却效果的影响

对某小型燃气轮机设计工况下的涡轮动叶,采用标准k-ε湍流模型,数值模拟了复合角气膜孔对冷却效果的影响.主流雷诺数为670 000,比较了吹风比分别为0.5,1.0,1.5和2.0时,采用60°,30,°0°,-30°和-60°复合角气膜孔的气膜流动情况和冷却效果.结果表明:在旋转状态下,压力面上复合角可以有效地提高气膜冷却效果,受哥氏力的影响,朝向低半径的复合角的气膜冷却效果要好于朝向高半径;吸力面上复合角对气膜冷却效果的影响不大.      

涡轮叶片前缘气膜冷却换热实验

针对某型涡轮叶片放大模型的前缘冷却结构气膜冷却效果开展了细致的实验研究,利用红外热像仪测量了叶片表面的温度场分布,分析了前缘的气膜孔倾角、吹风比、主流雷诺数等参数对绝热冷却效率和压力损失的影响.实验中前缘的3排气膜孔倾角变化范围是35°~90°,主流雷诺数变化范围是76112~142624,吹风比变化范围是0.44~2.64.结果表明:气膜孔倾角越小,前缘驻点附近的气膜覆盖效果越好;气膜孔倾角为45°的叶片压力损失系数最小,气膜孔倾角为75°的叶片压力损失系数最大;主流雷诺数增大,绝热冷却效率下降,压力损失系数增加;吹风比增大到1.32时,绝热冷却效率达到最大,吹风比再增大绝热冷却效率反而下降.      

气膜孔形状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,针对簸箕形、锥形和缝形气膜孔的流场和冷却特性同圆形气膜孔进行了对比研究.研究结果为:随着冷气入口压力的增加,各种冷却结构的冷却效果也在增加;而在相同的冷气入口压力条件下,各种形状气膜孔的冷却流量和冷却效果不尽相同,在该研究条件下,簸箕形和缝形气膜孔的冷却效果最好,锥形孔次之.      

旋转状态下曲率对气膜冷却影响的分析

 作为广泛应用于航空发动机涡轮叶片上的气膜冷却技术,其效果会受到叶片表面曲率、旋转、密度比等因素的影响。在通过理论分析着重研究了旋转状态下曲面上的气膜出流后,给出了评价曲面气膜出流受旋转速度影响的无量纲量局部旋转数。并且对各种影响因素进行了分析。在凸表面上,小局部旋转数会导致气膜趋于脱离壁面;大局部旋转数会使气膜趋于吸附壁面;对于凹表面,局部旋转数的影响正好相反。当局部旋转数很小时,动量流量比成为影响气膜出流脱离壁面与否的重要因素。文中并且给出了数值验证。     

旋转对曲率表面气膜冷却效率影响的数值研究

通过对旋转状态下曲率通道的气膜冷却现象的流动和换热进行数值模拟,得到了不同旋转数下凸表面和凹表面的冷却效率分布。计算选用剪切应力输运(SST)湍流模型,主流雷诺数ReD=4 797,吹风比M=0.4,旋转数Rt=0~0.023 9。研究结果表明,旋转数对冷却效率的影响明显：旋转数的增大使得气膜的轨迹偏转越明显,并且凸表面上气膜轨迹的偏转程度高于凹表面的。凸表面的冷却效率随着旋转数的增加而逐渐减小,而凹表面的冷却效率随着旋转数的增加而递增,并且旋转数的增加会弱化凸表面和凹表面上冷却效率的差别。     

端壁转动对凹槽叶尖流动换热性能的影响

为了研究端壁转动对跨声速凹槽叶尖流动换热性能的影响,采用数值方法,详细研究了三种冷却孔结构凹槽叶尖在端壁转动条件下的叶尖间隙流场、冷却流流态、气膜冷却效率、叶尖表面换热系数和叶尖泄漏流量,同时考虑凹槽深度和端壁转动速度的影响。结果表明:端壁转动在叶尖凹槽内形成与泄漏流分离涡方向相反的旋涡,使泄漏流在凹槽底面的再附增强,在凹槽突肩的再附减弱。端壁转动能减少叶尖泄漏流量,研究范围内,叶尖相对泄漏流量最多减小20%。随着凹槽深度增大,叶尖平均气膜冷却效率随之增大,叶尖平均换热系数和叶尖泄漏流量随之减小。随着端壁转速减小,叶尖泄漏流量随之增大,压力侧和吸力侧冷却孔模型的叶尖平均气膜冷却效率随之减小,而中弧线冷却孔模型的叶尖平均气膜冷却效率随之增大。压力侧喷入冷却气流,叶尖的气膜冷却效果最好。     

气膜孔形状对排孔下游换热的影响

实验研究了气膜孔几何形状、二次流雷诺数及吹风比对孔排下游的局部换热系数的影响。所用孔形是簸箕形孔、圆锥形孔及圆柱形孔;实验的参数范围为二次流孔径雷诺数Re=10000～25000,二次流吹风比M=0.3～2.0,在上述范围选取了26个工况分别对3种孔形进行了实验。      

出流孔型对平板气膜冷却影响机理的研究

为了研究不同孔型对平板气膜冷却的影响,针对圆形,扇形,水滴形,收敛缝形四种气膜出流孔型的流动和传热特性进行了数值模拟。研究结果表明,圆形孔、扇形孔和水滴形孔气膜出口下游出现从中心向上抬升的反向旋转涡对,将主流燃气卷吸进来;收敛缝形孔在侧向的扩张型面使得气膜出流在展向的覆盖更为均匀,这有效地阻止了高温气体的侵入;在相同吹风比下,收敛缝形孔在气膜出口附近区域的平均绝热冷却效率则明显要高于其余三种孔,随着吹风比的增大,这种差距越发明显;孔型对对流换热系数增强比的影响区域仅局限在邻近气膜孔出口大约7倍气膜孔径的范围内。     

旋转轴角度对受限层板换热能力的影响

应用数值模拟的方法对旋转状态下受限层板在不同旋转角度下换热能力进行数值仿真研究。通过改变旋转轴和层板之间的角度,得出了旋转轴角度对层板换热能力的影响规律。研究结果表明:旋转轴与层板所成角度不同时,对流换热系数呈现一定的相似性;旋转轴与层板所成角为90°和270°时对流换热系数最高,浮升力最小,旋转轴与层板所成角度为0°和180°时,对流换热系数最低,浮升力最大;最高对流换热系数和最低对流换热系数相差55%左右;平行于层板的哥氏力比垂直于层板的哥氏力对流体的影响强烈。     

冲击距与气膜孔方位角对旋流气膜冷却性能影响

为了获得冲击距Hi与气膜孔方位角α对旋流气膜冷却性能的影响规律,以六边形供气腔圆形气膜孔平板气膜冷却结构为研究对象,对五种冲击距参数(0.74D,1.14D,1.54D,1.94D,2.34D)(D为气膜孔直径)和五种气膜孔方位角参数(0°,10°,15°,20°,25°)进行了三维数值计算研究,得到了绝热壁面气膜冷却效率、展向平均气膜冷却效率、流场空间无量纲浓度分布等随冲击距与气膜孔方位角的变化规律,分析了肾形涡对旋流气膜冷却性能的影响机理。结果表明:冲击距对绝热壁面气膜冷却效率展向分布规律影响不大,而方位角增加能够明显提高绝热壁面气膜冷却效率及展向气膜覆盖面积,方位角0°模型展向气膜冷却效率最大值为0.42,方位角25°模型的最大值为0.48,相比前者增加14.3%;绝热壁面同一流向位置的展向平均气膜冷却效率随冲击距的增加而增大,随方位角的增加而增大,Hi=2.34D时的展向平均气膜冷却效率最佳,α=20°时的展向平均气膜冷却效率曲线最佳。方位角的增加能够明显破坏流场中存在的肾形涡结构。     

气膜孔结构对涡轮导叶端壁冷却效率的影响研究

对涡轮叶栅端壁上游4种气膜冷却结构模型进行了数值模拟,得出在不同吹风比情况下涡轮叶栅端壁的流动与换热特性。结果表明,无槽气膜孔冷气射流在孔下游与主流相互作用形成1对转动方向相反的耦合涡,主流被卷入耦合涡并冲击到了端壁,使得孔间壁温接近主流温度,气膜冷却效率很低;带槽气膜孔抑制了耦合涡的形成,冷却了孔间端壁,气膜冷却效率较高,而且,随着槽深度的增加,冷气的展向(Y向)宽度逐渐增加,扩大了冷气覆盖区域,提高了端壁气膜冷却效率。     

滚珠自转对高速球轴承环下润滑内部流动的影响

高速球轴承正常工作时,处于高速旋转状态,此时油相和气相因重力和离心力的作用在轴承环间剧烈运动。为了更准确地分析轴承环间的两相流动,采取VOF模型进行内部流场的模拟,采用多重旋转坐标系描述部件运动。建立球轴承环下润滑计算模型,分析了考虑滚珠自转因素下轴承内部的流动,并在此基础上探究了转速及供油量对轴承工作状态的影响。结果表明,对比整体模型与滚珠自转模型,发现滚珠自转使得轴承内部油体积分数增大,同时也使得滑油穿透间隙达到外环的能力增加;在考虑滚珠自转情况下,转速的不断增大,使得轴承内部的油相体积分数不断减小,在低转速情况下滚珠自转对流体运动影响较为明显,在高转速情况下公转速度对流体运动起到主导作用,滚珠自转对流体运动影响减弱;供油量不断的增大,使得滚珠自转模型内部的油相体积分数也在不断增大,而且滚珠自转运动会加强滑油在轴承内部的分布。     

不同激励形式对脉动气膜冷却特性影响的数值研究

为了探究不同激励形式对脉动气膜冷却特性的影响,在35°倾角平板射流模型中,采用非定常数值模拟方法进行相关研究。挑选常用的方波和正弦波作为冷气激励,无量纲激励频率斯特劳哈尔数St=0.019,0.047,0.093,0.263,0.441,重点对冷气附着和高温主流入侵现象进行了对比研究。结果表明:正弦激励下的冷气对壁面有更强的附着和更高的冷却效率;方波激励下的冷气穿透能力较强但对壁面附着相对较弱。此外,方波激励下存在主流入侵,会烧蚀气膜孔及局部壁面;而正弦激励使得冷气连续变化,能明显抑制主流入侵。更进一步,提高脉动周期内的最低吹风比不是抑制主流入侵的最佳方式,因为主流入侵主要是因为冷气量变化过于剧烈。针对正弦激励,冷气的无量纲激励频率St0.263后也会导致主流入侵。考虑冷却效果和避免主流入侵,建议在实际应用中选用较低频连续波形作为激励。