涡轮叶片前缘旋流-气膜复合冷却内部流动传热特征实验和数值模拟

为了提高涡轮叶片前缘的冷却效率,本研究提出了一种偏置冲击孔的旋流-气膜冷却结构。在20000～50000雷诺数范围内,对冲击孔居中和偏置分别开展实验研究和数值模拟,得到了两种结构的内部传热、流阻和流场特性。实验通过瞬态液晶热像技术获得前缘内表面的详细努塞尔数分布,并结合数值模拟的结果分析了流场特征,对强化换热的机理做出解释。实验结果表明：叶片前缘内部旋流使总体平均努塞尔数提高4.0%~9.4%,同时压力损失降低5.6%~6.4%。数值模拟结果表明,偏置冲击孔利用叶片前缘曲率较大的结构特性产生了强烈的旋流,使高换热区的面积显著增加,改善了内部换热的均匀性。     

利用上游沙丘形斜坡增强气膜冷却

在平板上开设单排气膜孔,并通过红外测温法,实验研究了四个典型吹风比(0.5、1.0、1.5和2.0)下圆柱形气膜孔(CH)安置上游沙丘形斜坡(SDR)的绝热气膜冷却效率,并与平直楔形斜坡(SWR)进行了对比,同时结合数值模拟对不同形状的上游斜坡作用机制进行了剖析。研究结果表明：相比SWR,SDR可以诱导出特有的反肾形涡对,因而其在强化气膜冷却方面更具优势。在小吹风比下(吹风比为0.5),SWR和SDR可以分别提高特定区域(孔下游15倍孔径范围内)的面积平均气膜冷却效率达26%和75%左右,在高吹风比下(吹风比为1.5),两者的相对提高幅度分别高达100%和150%左右。     

射流角度对姊妹孔气膜冷却效果影响实验研究

为了分析主孔与侧孔射流角度对逆向射流姊妹孔平板模型气膜冷却效率影响,采用压力敏感漆(PSP)技术对单孔顺流与5种姊妹孔在四种吹风比(BR)下的绝热气膜冷却效率进行研究。结果表明姊妹孔在所有吹风比下气膜冷却效果均优于单个圆孔正向射流。低吹风比(BR=0.5)时,姊妹孔气膜冷却效果相近,但顺流姊妹孔气膜冷却效果最佳;中吹风比(BR=1)、高吹风比(BR=1.5,2)下,侧孔顺流的逆向射流姊妹孔气膜冷却效果最佳,相比于单孔射流的面平均气膜冷却效率可提高366%,677%,727%。逆向射流可令姊妹孔获得更高的气膜覆盖率,具有复合角度的侧孔射流可在低、中吹风比下增加逆流姊妹孔的展向气膜覆盖率,但在高吹风比下,对姊妹孔下游流向气膜冷却效果产生较差影响。     

不同孔型对高超声速逆喷流气膜冷却影响

主要对不同孔型在不同质量流量下对高超声速逆喷流气膜冷却影响规律开展研究,得到不同孔型对气膜冷却效果的影响规律。采用CFD计算方法,对飞行高度为50 km,飞行马赫数为15条件下圆柱孔、收缩孔、扩张孔、收缩-扩张孔4种孔型开展研究。研究显示:小流量供气时,收缩孔和圆柱孔会出现长穿透模态(LPM)工作状态,扩张孔和收缩-扩张孔则不会出现;随着喷流流量的增大,喷流会从LPM转向短穿透模态(SPM),此时继续增大气膜喷流流量,并不会显著增大冷却收益。综合整个流域的变化,扩张孔在高超声速飞行器头部逆流喷流气膜冷却中是比较稳定可靠的气膜冷却孔。     

垂直横流通道内槽型截面孔气膜冷却特性数值研究

为了揭示燃气透平动叶内部横流通道对不同截面形状气膜孔的影响机理,采用数值方法对比研究了典型扇形孔和槽型截面孔在垂直横流通道内的气膜冷却特性。四种槽型截面孔包括2种梭型扩张孔(上游壁外凸、下游壁外凸)和2种半圆侧壁矩形扩张孔(计量段截面宽度1.7D,2.0D),气膜孔直径D均为3mm。三种垂直横流通道均为8D×4D矩形通道,分为无肋光滑通道、45°和135°带肋通道,肋间距与孔间距均为8D。数值结果表明:在中高吹风比下,四种槽型截面孔的气膜冷却效果均显著优于扇形孔,光滑通道中差距最大,45°肋通道中差距最小,其中大截面宽度矩形扩张孔的气膜冷却效果在三种横流通道中均最高。由于强的横向扩张,下游壁外凸的梭形扩张孔的气膜冷却效果受横流影响弱,在三种横流通道中的变化幅度最小。四种槽形截面孔的展向平均气膜冷却效果在45°和135°带肋通道中变化均不大,即肋角度对槽形截面孔气膜冷却效果影响较小。四种槽型截面孔中高吹风比下的出流系数在无肋通道中均高于扇形孔,在带肋通道中五种孔型的出流系数差别很小。     

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。      

涡轮叶片热障涂层在CMAS 环境下的失效分析

对于多台份某型发动机在试车后出现的带热障涂层涡轮叶片表面附着较多环境沉积物CMAS进而导致热障涂层脱落 失效的故障,通过宏观形貌观察、化学成分分析、微观结构分析等方法对CMAS分布规律、成分特征和失效模式进行了分析。结果 表明：CMAS沉积物在叶盆面较厚、叶背面较薄,靠近缘板处较厚、叶身中部位置较薄,进气边较厚、排气边较薄;厚度较薄处的附 着物颗粒细小、分布均匀,较厚处的附着物结构较疏松,大多呈块状不均匀分布;涡轮叶片热障涂层表面沉积物及气膜孔堵塞物的 成分以CMAS为主,同时还有中低温部件碰摩磨屑生成的Fe2O3、TiO2和NiO;由CMAS腐蚀引发的热障涂层失效模式主要有气膜孔 堵塞引发周围涂层烧结失效、涂层表面和内部应力失配、陶瓷层柱状晶被冲击撞断以及8YSZ热障涂层被溶解。     

尾迹对动叶表面簸箕孔气膜冷却影响实验

采用压敏漆(PSP)技术研究了上游尾迹对吸力面和压力面带有单排簸箕形气膜孔的涡轮动叶表面气膜冷却效率的影响,获得了不同吹风比(0.25～1.5)和尾迹斯特劳哈尔数(0、0.12、0.36)条件下涡轮叶片表面气膜冷却效率分布的实验数据,结果表明:尾迹使吸力面簸箕孔后径向平均气膜冷却效率最大下降幅度达0.07,使压力面簸箕孔后径向平均气膜冷却效率最大下降幅度达0.024;有尾迹时,随着吹风比的增加,吸力面气膜孔后冷却效率逐渐降低,压力面气膜孔后冷却效率先增加后降低。      

亚声速涡轮导叶前缘气膜冷却特性实验研究

为了获得亚声速涡轮导叶的前缘气膜冷却特性,在短周期高速风洞中对涡轮导叶前缘后倾扩张型孔气膜冷却试验件进行了实验,获得了涡轮叶片表面在不同主流雷诺数(Re=3.0×10~5～9.0×10~5)、二次流吹风比(M=0.5～2.4)和主流湍流度(Tu=1.3%,14.7%)下的气膜冷却效率和换热系数分布。实验叶片前缘有8排后倾扩张型气膜孔形成前缘喷淋冷却结构。结果表明:叶片前缘和压力面冷却效率随着吹风比的增大而升高,吸力面冷却效率随着吹风比的增大先升高后降低,最佳吹风比为0.8;在主流雷诺数(Re=3.0×10~5～9.0×105),改变雷诺数对叶片表面冷却效率的分布规律影响较小;叶片表面冷却效率随着湍流度的升高而降低,在小吹风比M=0.5下,高主流湍流度下的平均冷却效率降低50%左右,在M=2.4工况下,高湍流度下的平均冷却效率降低10%左右;叶片前缘冷气出流区域和压力面相对弧长为-0.4S/Smax-0.3的冷气重新贴附壁面区域换热系数比较高;高主流湍流度下,换热系数比较小,且吹风比变化对换热系数比的影响较小。     

凹槽状叶顶气膜孔优化设计与知识挖掘

为改善叶顶气膜冷却效果,基于全局优化算法,引入数据挖掘技术,建立了凹槽状叶顶气膜孔优化设计与数据挖掘框架。以叶顶的平均气膜有效度为优化目标和以冷气流量为约束条件,对GE_E3动叶叶顶的气膜孔进行优化设计。优化后叶顶的平均气膜有效度提高了3.7倍。流动结构与冷却分析表明,优化后气膜孔的分布得到了改善,孔径的改变使得冷气流量分布更为合理,从而增加了叶顶前缘的气膜覆盖面积,增强了主流对冷气的压制效应,喷射冷气更加贴近壁面,叶顶的平均气膜有效度显著提高。同时通过对设计空间进行知识挖掘,探究设计空间信息,结果表明叶顶前缘气膜孔对叶顶气膜冷却影响显著,增大叶顶前缘气膜孔孔径,将前缘气膜孔向前缘移动,减小中部气膜孔间距,可有效改善叶顶气膜冷却效果。