涡轮盘轮缘封严结构参数对封严效率影响的实验研究

在航空发动机涡轮部件中,封严环的设计对涡轮盘腔的冷却封严有着至关重要的作用。使用CO_2浓度测量法针对静盘双齿动盘单齿封严环的结构参数(齿高和齿间距)变化对封严效率的影响进行了实验研究,目的在于获得封严结构的封严效率和最小封严流量的变化规律。实验在主流雷诺数Re_w=4.39×10~5,旋转雷诺数7.51×10~5Re_?1.30×10~6的范围内,测量了不同封严流量下的封严效率,以及不同结构参数下各工况的最小封严流量。结果表明:封严效率随封严流量和旋转雷诺数的增加而增加;最小封严流量随着齿间距的增大和齿高的减小而增大,G_c平均每增加7.5×10~(-4),所需的最小封严流量会增加8.0%,G_(ov)平均每增加1.12×10~(-3),可使最小封严流量减少4.7%,同时旋转雷诺数的变化对变齿间距下的最小封严流量有明显效果,而在变齿高情况下则没有影响。     

高旋转数下不同通道转角带肋回转通道的换热特性

提高回转通道气体压力,将实验雷诺数和旋转数范围分别扩展到10000～70000和0～2.08,在此基础上实验研究了高旋转数下通道转角为0°,22.5°,45°的带45°倾角斜肋的方形截面回转通道的换热特性.结果表明:在第1通道,通道转角对后缘面换热的影响整体上强于前缘面,尤其是通道入口段位置;在第2通道,通道转角对换热的影响比较小.对于区域平均换热分布,通道转角为45°的通道平均换热最强,通道转角为22.5°的通道次之,通道转角为0°的通道平均换热在3个通道转角中最弱.      

旋转通道内流阻特性实验的实现与验证

针对涡轮叶片的蛇形内冷通道内流阻特性的研究,在北京航空航天大学航空发动机气动热力国家级重点实验室的旋转涡轮叶片内冷通道换热实验台上构建了旋转工况的测压系统.该测压系统具有高精度、多路选通、高压高旋转数等特点.在通道进口雷诺数从20000~70000,旋转数从0~1.025的范围内,实验研究了旋转状态下,冷态与热态流场下方形截面光滑U形通道流阻系数.实验结果与国外同类实验对比验证了构建的实验系统的可靠性和优越性.实验结果表明:低雷诺数下静止工况的流阻随雷诺数增大而增大,并在雷诺数增大到一定值后转而减小.冷态下流阻随旋转数增大而增大,低旋转数下旋转对热态流阻影响并不显著,高旋转数下热态流阻随旋转数增大而显著增大.      

出口马赫数0.81~1.01下涡轮导向叶片全气膜冷却特性研究

通过瞬态热电偶测量方法研究了涡轮导叶叶片全气膜换热系数和气膜冷却效率。试验叶片共有13排气膜孔,气膜孔排由前后2个腔供气,前腔二次流与主流流量比为5.06%,后腔为1.14%。为匹配真实发动机工作条件,叶栅进口雷诺数试验范围为1.7×105~5.7×105,出口马赫数范围为0.81~1.01。试验获取了叶片表面压力系数和换热系数分布规律,并研究了叶栅进口雷诺数和出口马赫数对叶片全气膜冷效分布的影响。结果表明:气膜孔下游的换热系数和气膜冷效较高;主流雷诺数的增加对冷却效率的提升有积极作用,特别是在叶片吸力面,而马赫数对叶片表面气膜冷效影响甚微。     

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。     

表面粗糙或带凸起转盘风阻扭矩实验

为研究壁面不同粗糙程度以及带有螺栓等表面凸起的转盘风阻扭矩特性,建立了一个转盘扭矩测量实验台.自由盘测量结果与经典经验关系式较好的符合度验证了测量方法的准确性.分析研究了在不同粗糙度以及附有6种凸起结构的转盘风阻扭矩规律.结果表明,壁面的粗糙会增大转盘受到的扭矩,在所测量旋转雷诺数范围内,从气动光滑一直到粗糙高度0.2 mm,扭矩系数增大1倍.基于气动光滑自由盘经验关系式进一步总结出相对粗糙度对于风阻扭矩的影响系数.对比6种凸起引起的风阻扭矩特性发现,叶型凸起会大幅降低风阻扭矩.凸起安装迎风角度的改变会带来10%的风阻扭矩差别.结合自由光滑盘扭矩系数经验关系式,总结出不同凸起形状对于扭矩系数的影响因数.     

叶型孔式预旋喷嘴流动特性数值研究

现有研究表明叶片式喷嘴是目前为止性能最好的预旋喷嘴。而在整环的喷嘴盘设计中,当喷嘴总面积、预旋角度、喷嘴数目和半径位置确定后,喷嘴叶高和栅距就固定下来,往往因为叶高与栅距的比值过小而大大降低喷嘴性能。在叶片式喷嘴基础上提出了一种能够调整喷嘴叶高到恰当值的新型预旋喷嘴——叶型孔式喷嘴(vane shaped hole nozzle,vsh nozzle)。采用数值方法深入对比研究了叶型孔式喷嘴与叶片式喷嘴的性能差异。为了考虑喷嘴下游预旋腔的掺混影响,计算域不仅包括静止的进气腔和喷嘴,还包括转动的预旋腔和接受孔。计算结果表明,叶型孔式预旋喷嘴的流量系数和预旋效率显著高于叶片式喷嘴,vsh-52喷嘴的流量系数比vane-52喷嘴高9.14%,预旋效率高4.44%。还提出采用有效流量系数、有效预旋效率两个参数来体现考虑喷嘴下游预旋腔掺混影响的喷嘴综合性能。     

涡轮级燃气入侵的理论分析及数值模拟

为了分析航空发动机涡轮级中的燃气入侵现象,提出一种研究封严间隙处流动规律的理论方法,并采用全环模型进行了数值模拟。在该理论方法中,动盘旋转、封严冷气、外环主流对流动的影响用三个特征速度来表征;它们的相互作用用速度比来描述。数值模拟结果表明:随着速度比的变化,封严间隙处呈现燃气沿静盘入侵、燃气基本不入侵以及燃气沿动盘入侵等三种流动形式。利用速度比的影响规律,可初步判断封严间隙处的燃气入侵情况以及最小封严冷气流量。     

高压涡轮工作叶片内部流场特性试验研究

为研究变工况特性下涡轮叶片内部通道流场特性，选取高压涡轮二级工作叶片内部通道作为研究对象，在5种不同的进口雷诺数（Re）工况下，利用TRPIV（时序PIV）技术对通道内的流场特性进行了试验研究。Re变化为32426～64700，模拟了飞行循环过程中的若干典型工况。在先进加工技术的辅助下，保留了真实叶型约束下的完整内冷三通道带肋结构，捕捉到一些不同于常规截面两通道模型等简化模型中的流动现象，包括：弯头区域不对称主流分离结构和非对称二次涡系。通过数据分析，明确了高、低雷诺数下流动特性的差异。在高Re工况条件下，弯头出口附近的冲击区域增大；对于第一通道内的二次流，在接近弯头位置处，横向速度分量会导致纵向涡对的强度被削弱，高Re工况下拥有更加剧烈的影响，极有可能削弱吸力面的换热强度。