涡轮叶片端壁槽缝气与离散气膜孔冷却特性实验研究

真实发动机涡轮叶片端壁为曲面造型,并且其冷却受槽缝气、泄漏流和离散气膜冷却多种冷却气叠加影响,同时又受到主流二次流影响,因此呈现复杂冷却特性。为研究接近真实发动机涡轮叶片端壁构型和工况下的气膜冷却特性,本文采用高速风洞(主流雷诺数为37万)及压敏漆(PSP)技术,研究了槽缝气、泄漏流以及离散气膜对曲面端壁的气膜冷却效率的影响,并针对不同冷气流量比对端壁气膜冷效的影响规律进行了对比分析。结果表明:端壁表面气膜冷效随着槽缝气流量比增大而增大,当流量比增大到1.71%时,槽缝气膜几乎可以覆盖整个端壁表面;与槽缝气相比,端壁表面的离散气膜冷气覆盖范围较为有限,端壁压力面侧下游区域气膜覆盖较差;在喉部之前,随着流量比增大,离散气膜冷效呈现下降趋势;在喉部之后,随着流量比从1.3%增大到1.9%,离散气膜冷效呈现上升趋势;与仅有离散气膜相比,包含槽缝气、泄漏流、离散气膜的全气膜覆盖更为均匀,全气膜冷效的叠加使得端壁冷效相比仅有离散气膜时整体提高了93.4%。     

1.5级透平动叶端壁泄漏流换热与冷却研究

本文数值研究了一级半透平中动静间隙泄漏流对动叶端壁表面换热与冷却的影响,分析了冷气质量流量比、密度比和动叶转速等三个重要因素对动叶端壁表面换热与冷却的作用规律。结果显示,质量流量比和密度比增加会强化端壁上游区域和主通道涡分离线下游区域的换热,但在冷却方面仅在端壁上游区域进一步产生过冷现象而对端壁通道下游的冷却几乎没有任何影响;转速的上升则会削弱端壁换热,并且会抑制通道涡,但对冷气的覆盖面积没有明显的提升作用。     

复合冲击和复合旋流冷却特性的对比研究

针对应用旋流冷却和气膜冷却对涡轮叶片前缘区进行冷却系统设计的科学命题,首次建立了包含冷气腔、冲击/旋流腔、气膜孔和燃气主流通道的复合冲击和复合旋流冷却模型,利用数值方法在相同几何和气动条件下对比了复合冲击和复合旋流冷却的流动换热特性.研究结果表明:冲击孔/旋流喷嘴流量沿X方向逐渐增大,吹风比沿X方向先增大后减小.复合冲击冷却的气膜孔流量和吹风比沿X方向略有增大,复合旋流冷却气膜孔流量和吹风比沿X方向减小.复合旋流冷却平均Nu比复合冲击冷却提升13.0%.气膜孔会扰动冷气流动,使附近小范围区域Nu提升.与复合冲击冷却相比,复合旋流冷却气膜孔的冷气流量和速度大,肾型对涡强度高,绝热气膜冷却效率减小.     

新型反对称涡气膜冷却结构设计及其数值研究

针对中.高吹风比下容易产生反向涡对的问题,为了改善中、高吹风比下气膜孔的冷却效率,进行了新型抗涡气膜孔的设计和研发工作.根据造型参数不同,设计了四种新型反对称涡气膜孔结构,首先研究了不同几何结构的新型气膜冷却孔对平板气膜冷却特性的影响.然后将反对称涡新型气膜冷却结构运用于叶栅端壁,前缘冷却孔排采用了不同冷却结构的单,双...     

端壁通道间隙对端壁泄漏流冷却的影响

本文针对叶栅通道中端壁间隙的影响进行数值研究,详细分析了有无端壁间隙、不同间隙泄漏流流量和不同间隙射流角情况下端壁表面泄漏流气膜冷却有效度的分布特性。结果表明:端壁间隙会在一定程度上限制端壁表面冷却气膜的扩散分布,主要影响区域为端壁吸力面侧及喉部下游;不恰当的端壁间隙泄漏流会削弱端壁某些局部区域的泄漏流冷却效果;端壁间隙射流角对端壁表面泄漏流冷却效果的作用总体上非常有限,其主要改变某些局部区域的气膜冷却分布。     

涡轮端区离散台阶缝气膜冷却特性研究

受端区二次流的影响,叶片前缘和压力面根部角区端壁难以实现有效冷却。为了实现该区域的冷气覆盖,本文研究了新型冷却结构离散台阶缝的端区气膜冷却特性。离散台阶缝在叶片周向主要覆盖叶片前缘区域,能够集中冷气冷却换热恶劣的区域。本文研究了两种不同离散台阶缝轴向位置(AP1,AP2)和三种不同冷气量(MFR=0.43%,0.88%,1.33%),通过红外热像仪测量端区气膜冷却效率分布。结果表明,增加离散台阶缝与叶片的轴向距离,能够有效提高叶片上游区域的冷却效果,但在通道内部,结果相反。增加冷气量能够提高端壁的气膜冷却效果。此外,应用五孔探针测量叶栅通道喉部附近截面二次流流场特征,解释了通道冷却分布的机理。     

涡轮流场影响端壁气膜冷却的实验研究

采用压力敏感漆技术对高压涡轮动叶平面叶栅端壁气膜冷却特性进行了实验研究,对比分析了气膜冷却射流吹风比和叶栅进口主流雷诺数对端壁气膜有效度分布的影响.实验中主流雷诺数分别为164476、226154、308392和359790,各主流雷诺数下气膜射流吹风比变化范围从0.4到1.4.端壁前缘气膜孔吹气角为45°,其余端壁气...     

涡轮叶栅双排孔气膜冷却数值模拟

采用具有三阶精度TVD性质的有限差分格式、自由型曲面技术以及分区网格算法,对某型具有冷气孔形状的涡轮叶栅进行了全三维N-S方程数值求解,描述了相邻两排冷气射流在叶栅吸力面形成的冷却气膜以及壁面附近冷却射流运动的特点,分析了不同吹风比和喷射角度情况下冷却绝热效率的分布规律。结果表明,在较大的吹风比和喷射角下,交错排列的两排冷却射流运动规律非常复杂,在两排孔之间的区域与冷气孔下游区域冷却气膜的形成规律具有明显的区别。     

气膜孔角度对动叶前缘冲击/气膜复合冷却的影响

本文针对GE-E3第一级动叶前缘的冲击/气膜复合冷却结构进行了热流耦合数值研究.采用标准k-ω湍流模型,分析了前缘气膜孔对称布置时,其角度对透平动叶前缘冲击/气膜复合冷却特性的影响;在五种冷气质量流量比(MFR=0005,0.010, 0.016, 0.020, 0.025)下,研究了气膜孔在不同角度(β=20°,25...     

改善局部难冷区域的一种导叶层板端壁

受二次流的影响,气膜冷却端壁表面存在大量难冷区域。紧凑型层板结构可以实现端壁的双侧冷却,从而缩小难冷面积。本文通过改变气膜孔布局,设计了一种可以有效改善局部难冷区域的层板冷却端壁。在主冷流温比1.5下,测量了端壁表面的温降特性和综合冷却效率分布,通过与均匀气膜布局的层板端壁相比较,发现:采用改进后的层板结构,可以显著降低端壁表面温度,缩小难冷区域面积,获得更均匀的冷却效果。且压力侧根部区域与吸力面前缘区域冷却效果增幅尤甚。另外,此层板的改进优势随着质量流量比的增加变得更明显。     

气孔排数对带排气航行体绕流流动影响研究

数值研究了航行体垂直出水过程中单排孔排气、双排孔组合排气对贴体气膜及绕流流场的影响。结果表明,相比单排孔方案,双排孔方案孔排间"逆向流动"诱导气膜覆盖后排孔表面,航行体侧向水流对气膜的剪切作用减弱,排气早期气膜形成速度快,空间尺寸大;孔排间表征马蹄涡位置的分离鞍点随模型运动逐渐推进至后排孔前缘,马蹄涡向下游发展过程中在主气膜两侧分割出局部条状气膜;组合排气后排孔近似垂直航行体表面排气,气孔下游较强肾型涡聚拢气膜两侧气体并将其抬离壁面,某些情况下不利于气膜的周向融合。     

新型双射流冷却孔对气膜冷却效率影响的研究

气膜冷却是现代航空燃气轮机涡轮冷却技术的一种重要方法,冷却孔形状的改进是提高气膜冷却效率的重要手段。本文对双射流冷却孔形状进行了改型,并对新型双射流冷却孔在吹风比分别为0．5,1．0,1．5,2．0时的冷却效率进行了数值模拟。模拟结果表明新型双射流冷却孔与原双射流冷却孔相比在各吹风比下均优化了气膜在热表面上的分布,抑制...     

扇形孔气膜冷却应用的综合特性

扇形孔气膜冷却是为避免圆孔气膜冷却吹离而产生的,然而这两种孔在实际叶栅运用中的特性往往受到叶栅流动以及各种参数的影响而显得极为复杂。本文首先探讨平板扇形孔在不同密度比、吹风比下的特性,得到扇形孔的流动和传热特性以及各参数对其的影响。然后结合扇形孔在叶栅上的应用,研究了压力面和吸力面不同的流动特性对于扇形孔应用的影响,以及在叶栅冷却中冷气参数对扇形孔的综合影响。     

气膜孔内流动结构对冷却效率的影响

涡轮叶片气膜孔内的流场结构对气膜射流下游的流动有着明显的影响。本文应用数值模拟的方法计算了平板上四种气膜冷却结构的孔内涡流场,从而分析气膜孔内涡结构对气膜冷却效率的作用规律。结果表明:当射流进入气膜孔并发生偏转时,气膜孔内会生成不同强度的旋转涡对;此对涡会导致气膜孔内射流能量的损失,并对主流内的肾型涡产生作用。当孔内涡对与主流肾型涡转向相同时,主流肾型涡湍流强度增加,气膜冷却效率下降;反之,当孔内涡转向与主流肾型涡相反时,主流肾型涡湍流强度降低,气膜冷却效率提升。通过对孔内涡结构的优化,文中所提的两种气膜孔改型结构能够有效地提高气膜冷却效率。     

进口旋流对透平双通道叶栅端壁气膜冷却的影响

实验叶栅采用GE-E~3进口导叶叶型,进口马赫数为0.1,进口雷诺数为1.48×10~5。实验中的叶片放大比例为1.95,气膜有效度采用压力敏感漆测量。气膜冷却工质采用氮气,密度比接近1.0。实验中两个相邻叶栅通道的端壁气膜有效度分布同时进行测量,在端壁上游和下游分别取相同位置进行气膜有效度对比。进口旋流采用旋流器进行模拟,旋流器与两个叶栅通道间的相对位置沿周向移动,分别模拟正对叶片A、正对叶栅通道1,正对叶片B,正对叶栅通道2以及正对叶片C五个状态。通过实验可以发现,进口旋流可以主导端壁上游的气膜冷却有效度分布,气膜附面特性并且随旋流核心位置变化明显。在端壁下游区域旋流的影响主要表现为与主流横向流动的合成作用,气膜冷却变化对旋流核心位置移动相对上游不敏感。     

涡轮动叶吸力侧单排气膜孔冷却性能研究

本文通过数值模拟的方法,针对涡轮叶片吸力侧的单排气膜孔,研究了无量纲气膜孔出流位置、气膜孔复合角度和冷却空气质量流量占比对其气膜冷却效率与气动掺混损失的影响.结果表明,对于近前缘气膜孔,0.5％的冷却空气质量流量可以在保证较好的气动效率的同时在下游附近提供较高的绝热气膜冷却效率;对于中后部气膜孔,90°的气膜孔导致的掺...     

出流角对旋转涡轮叶片前缘气膜冷却影响

基于频闪拍照和稳态液晶测温技术,实验研究了不同气膜孔出流角对旋转态整级涡轮叶片前缘外壁面的气膜冷却特性的影响。实验中,叶片前缘处的主流雷诺数为6.3378×104。实验转速为574 r/min,对应的旋转数为0.0018。平均吹风比从0.5变化到1.25。射流采用N2,其对应的密度比为1.04。结果表明:展向平均气膜冷效是随吹风比的增加而单调增加的,其中最佳吹风比为M=1.25。对于所有吹风比,在-4.3相似文献   

端壁错位对端壁泄漏流冷却的影响研究

本文采用数值方法针对燃气涡轮端壁因实际运行过程中部件热膨胀所造成的端壁错位进行了研究,详细分析了不同端壁错位形式下端壁上游槽缝泄漏流和槽缝/间隙泄漏流共同作用下的冷却分布规律。结果表明,端壁错位会改变端壁附近的流动结构,进而影响端壁表面泄漏流冷却的分布特性;在不同的端壁错位形式下,通道间隙泄漏流基本不会影响上游槽缝泄漏流的冷却分布;对上游槽缝泄漏流冷却有强化作用的端壁错位形式反而有可能会对端壁下游的间隙泄漏流冷却带来不利影响。     

冷却流初态对凹面圆斜孔气膜冷却的影响

本文对圆斜气膜孔在凹面上的气膜冷却进行了数值模拟.通过对气膜孔进口上游的冷却流设置不同的边界条件,研究了速度大小和方向等冷却流初态对气膜冷却效果的影响.计算结果表明,冷却流初态对凹面上的气膜冷却同样存在不可忽略的影响;在计算工况内,冷却流和主流一致或相逆的工况下冷却效果基本相同,但冷却流和主流交错的工况下,冷却效率显著提高.     

进气方式对冲击与气膜组合冷却效果的影响

通过数值模拟的方法,研究了涡轮叶片弦中区所采用的新型双层腔冷却结构的冷却特性,系统分析了冲击与气膜组合冷却的流动与换热特性,讨论了冷气进口雷诺数Re、吹风比M以及进气方式对组合冷却效果的影响.计算参数范围是:冷气进口雷诺数Re=2000～5000,吹风比M=0.6～2.0.计算结果表明:冷气进口雷诺数、吹风比以及冷气的进气方式对组合冷却效果均有很大影响.(1)冷气进口雷诺数越高、吹风比越大,组合冷却效果越好.(2)反向进气时的组合冷却效果明显好于正向进气时的组合冷却效果.