旋转爆震发动机燃烧室壁面烧蚀热防护研究

为了研究碳化烧蚀材料对旋转爆震燃烧室的被动热防护作用效果,建立了旋转爆震燃烧室热环境计算模型和多层复合壁一维烧蚀热响应分析模型。基于旋转爆震燃烧过程的数值模拟,确定了沿燃烧室轴向的壁面平均温度与热流的分布特征;针对典型的壁面热负荷输入条件,采用动边界隐式差分格式,对碳化型烧蚀材料的烧蚀过程和传热过程进行了耦合计算,分析了碳化层剥蚀、热解热、热解气体质量流率、材料厚度等因素对燃烧室壁面热防护效果的影响。研究结果表明,旋转爆震燃烧室温度和热流密度分布不均匀,斜激波扫掠区域热负荷更为剧烈;碳化层剥蚀后会使烧蚀材料的烧蚀率增加,壁面温度迅速上升;增大热解热及热解气体质量流率都有利于延长工作时间、降低壁面温度; 旋转爆震燃烧室不同区域的烧蚀有一定差异,增加烧蚀材料厚度无疑有利于壁面热防护,但是在实际应用中应综合考虑壁面重量和空间尺寸。     

旋转对涡轮叶片异型孔气膜冷却的影响

为了揭示异型气膜孔在旋转状态下的冷却特性,采用数值模拟的方法分析了吹风比为0.6时旋转对涡轮叶片异型气膜孔流动及冷却的影响,包括三种气膜孔:圆孔、扇形孔及收敛缝型孔。结果表明:旋转时气膜射流受离心力和哥氏力作用朝叶尖方向偏转,射流涡结构被弱化而变得不明显,气膜射流向主流的穿透得到一定程度的削弱;圆孔和扇形孔冷却效率随旋转雷诺数增大而升高,局部最多可分别提高100%和50%左右,收敛缝型孔冷却效率受旋转雷诺数的影响较小;旋转状态下扇形孔冷却效果与收敛缝型孔相当,仍然优于圆孔。     

跨声速涡轮轮缘复合封严结构的数值研究

为了保护航空发动机涡轮盘,阻止高温燃气向盘腔内部深入,破坏核心部件,通常将压气机冷气引入转静盘腔,以抵抗高温燃气入侵,并对涡轮部件进行冷却。本文利用非稳态与稳态数值计算方法,研究了跨声速涡轮设计工况(Reφ＞107)下的两种复合封严结构：静盘存在封严环的覆叠封严和动盘带封严齿的咬合封严结构,并与轴向封严结构进行对比。在本文所研究的范围内,对非稳态计算进行快速傅里叶变换(FFT)的结果表明：跨声速涡轮流动中,叶栅通道存在由激波引起的高压区,导致了燃气的剧烈入侵,因此在特征信号频谱中f/fblade=2处存在峰值,这是跨声速涡轮燃气入侵最显著的特点。稳态计算证明复合封严结构封严性能良好。静盘封严环将盘腔分割为上下两个容腔,入侵容腔滞留了绝大部高温燃气,因此高半径处封严效率较低,但盘腔低半径处封严效率明显提高,在Cw≈996时,两种复合封严结构在r/b=0.96以下都能达到很高的封严效率。咬合封严能够增加燃气流动阻力,有效减小封严冷气使用量。但是两种封严结构在当冷气流量系数从Cw=199逐渐增大到2000时,高半径处封严效率并没有明显的提高,封严效率仅提高了20%~30%。     

气膜孔内部对流换热的数值研究

运用数值计算方法对气膜孔内的对流换热特性进行了研究,分析了气膜孔内雷诺数(Re=10 000~50 000)、气膜孔倾角(α=20°~40°)及长径比(l/d=4~6)对气膜孔内部表面传热系数的影响规律.在研究参数范围内,结果表明:①气膜孔内表面传热系数随着雷诺数的增大而增强;②增大孔倾角,气膜孔进口附近的表面传热系数有较大幅度的提高;③气膜孔内周向平均表面传热系数沿程呈单调下降的趋势,在小长径比下气膜孔内总体平均表面传热系数较高.     

带集气腔的脉冲射流冲击换热实验和数值研究

实验和数值研究了带集气腔的单股脉冲射流冲击平直靶面对流换热特性。实验测试的脉冲频率(f)为5~40 Hz,射流雷诺数(Re)为5 000~15 000,脉冲占空比(R)为0.2~0.8,射流冲击间距比(H/d)为2~10;相对于实验测试,数值计算的参数范围有所拓宽,即5 Hz≤f≤200 Hz,5 000≤Re≤20 000,0.2≤R≤1.0。研究结果表明,与无集气腔脉冲射流相比,带集气腔的脉冲射流能够增强对流换热,在驻点附近的努塞尔数大约有8%~19%的提高;集气腔的存在,在射流出口处形成紧缩效应而提高脉冲值班阶段的射流趋近靶面速度,同时在非值班阶段能够形成一定的流动惯性效应。在研究的参数范围内,存在特定的、相对较优的脉冲参数,如f=80 Hz,R=0.8,对于受限空间的脉冲射流冲击,H/d=4是相对较优的射流冲击间距比。      

超声速与亚声速气膜流动和冷却特性数值研究

以平行入射缝槽气膜冷却为研究对象,开展了主、次流分别为亚声速和超声速流动状态下的气膜冷却数值模拟。计算结果表明：对于主流为超声速、次流为亚声速的气膜冷却,主流热量和动量很快就输运到亚声速次流中,气膜核心区很快被破坏,气膜冷却效率不高;在主流为超声速流动的情况下,施加相同吹风比的超声速冷却次流可将其核心向下游更远的地方输运,与常规的亚声速气膜冷却结构类似。为了获得较高的气膜冷却效率,在主流为超声速流动的情况下,建议施加超声速次流进行气膜冷却。     

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.      

旋转状态下涡轮叶片复合冷却结构

采用三维流固耦合换热计算研究了旋转状态下涡轮叶片冷却结构的复合冷却性能,讨论了辐射换热和转速对综合冷却效果的影响.结果表明:结构1叶根处出现局部高温区,低冷却效率范围大,叶片整体温度分布不均匀,结构2通过更合理的气膜流量分配提高了前缘附近冷却效率,降低了叶片表面最高温度,结构3采用内部蛇形通道使吸力面冷却效率显著提高,叶片整体冷却效率分布较为均匀;考虑壁面辐射换热时叶片表面温度升高,当表面发射率为1时局部温升超过50K,壁面辐射换热的影响不能被忽略;压力面综合冷却效率随转速增大而升高,3种结构的局部冷却效率最高分别能提升15.6%,13.4%和16.4%,吸力面上除弦中区冷却效率随转速升高有所降低外,其余位置冷却效率变化不大.      

冠齿喷嘴射流冲击平直靶面对流换热实验

利用红外热像仪测试了冠齿喷嘴射流冲击平直靶面的对流换热特性,在射流雷诺数为5 000~20 000、冲击间距比为1~8范围内,与普通圆管射流进行了对比,并对冠齿数和冠齿长度的影响进行了初步分析。研究结果表明,冠齿射流冲击对流换热显著高于圆形射流,在小冲击间距下,冠齿射流冲击的局部对流换热系数分布在冲击驻点附近呈现明显的梅花瓣状特征,当射流冲击间距比达到4以后,冠齿射流的局部对流换热系数分布则呈现出常规圆形射流冲击的特征;以2倍或4倍射流直径作为区域平均范围,冠齿射流的区域平均努塞尔数相对圆形射流的增加幅度在15%~30%之间,相对增加幅度与射流雷诺数和射流冲击间距比相关;在本文的冠齿结构参数范围内,冠齿伸出长径比为0.6的6-冠齿结构取得的射流冲击强化传热效果较优。     

涡轮叶片尾缘梯形通道异形扰流柱流动换热特性实验

针对叶片尾缘梯形通道内叉排排列的圆形、椭圆形、水滴形和哑铃形扰流柱的流动换热特性进行了实验研究.研究结果表明:在相同的进口雷诺数情况下,水滴形扰流柱的通道压力损失最小,仅为圆形扰流柱的57%;圆形扰流柱和哑铃形扰流柱的换热效果差异不大,比椭圆形扰流柱的换热效果高约20%,比水滴形扰流柱的换热效果高25%左右;进口结构形式对流动换热特性的影响不是非常明显,双排小孔的挡板通道内压力较大,但是换热效果也相对较好.