模拟叶片前缘的复合冷却实验研究

提高涡轮前温度可改善发动机性能。当前国外先进航空发动机的涡轮前温度已提 高到1700K左右。远远超过了材料容许的温度,这就必须采用有效的冷却技术。在涡轮叶片上以冲击-气膜复合冷却应用得最为广泛。在国内外发表的一些文献中,对纯冲击冷却及纯气膜冷却都曾进行过大量研究。但目前对冲击-气膜复合冷却的研究公开发表的文献尚不多见。本文仅就叶片前缘的冲击-气膜复合冷却的机理通过实验作初步的探讨。     

模拟涡轮叶片内冷通道方管和锥形管换热的实验研究

1引言在现代燃气涡轮发动机中，涡轮叶片内部设计了各种复杂的冷却通道结构，通人冷却空气，使工作状态下涡轮叶片温度降低，发动机得以安全运转。为此对干旋转情况下各种冷却方式换热效果的研允具有一定的现实意义。本课题时旋转状态下的方形等截面通道和收缩通道的局部对流换热特性进行了初步实验研究。为了近似地模拟叶片的冷却通道，本实验设计了光滑壁面的等截面方形通道、截面为矩形的收缩通道的实验模型。试验模型垂直于试验台的旋转轴转动，冷却气流流动方向向外。通道的热边界条件为等热流。2基本理论分析和实验研究旋转状态下的动…     

热斑迁移路径上非定常气膜冷却特性研究

热斑在涡轮级中迁移会引起叶片局部温度过高,影响叶片使用寿命。本文在涡轮进口存在热斑的工况下,对整级涡轮叶栅进行数值模拟,研究热斑迁移路径上的气膜非定常冷却特性。结果表明:气膜孔附近区域流场和温度场的变化与主流周期性相同,动叶前缘经历热斑流场的时间约占整个周期的1/4。叶片前缘冷却射流可以冲散到达叶片前缘的热斑高温流体,热斑核心温度降低。采用压力脉动的气膜冷却的冷却效率低于常规气膜冷却,冷却效率随脉动频率的升高而增大。     

叶顶射流对涡轮流场及气动性能影响

通过对带有前缘气膜冷却的C3X涡轮叶片的传热和气动试验结果进行计算验证,表明所使用计算方法在对带有冷却射流的跨音涡轮压力及温度进行的预测具有较高的精度,在此基础上针对某型发动机低压涡轮,通过CFD数值模拟研究其叶顶冷却射流对叶顶泄漏流及涡轮性能的影响规律,并通过详细分析叶顶流动揭示该规律产生的原因;然后通过改变不同叶顶...     

进口温度不均匀对气冷涡轮叶片传热的影响

本文对带有复合冷却结构的航空燃机高压涡轮导向叶片进行了气热耦合数值模拟研究,分析了温度径向分布不均匀和存在"热斑"涡轮进口条件下对气冷涡轮叶片传热的影响,研究发现进口温度径向不均匀分布在涡轮叶片径向中上部形成相对集中的带状高温区域,并使下游气膜冷却效果降低,热斑的存在进一步加剧对叶片局部区域的热冲击,复合冷却结构能够比较有效地降低由于进口温度不均匀所形成叶片表面局部高热区域的热负荷。     

燃气涡轮复杂结构冷却叶片数值研究

采用参数化的建模方法对两级四列某舰用涡轮冷却叶片进行了冷却结构的设计。通过参数控制复杂涡轮冷却叶片能够方便快捷地生成几何模型,并且为后期冷却结构的修改也提供了极大的便利,参数建模是气冷涡轮叶片设计方法进行工程化应用的前提条件。应用分块化结构网格构造复杂涡轮冷却叶栅进行网格分区时既要保证易于生成高质量网格,又要注意不能过多增加网格分区,增加计算误差。冲击冷却和气膜冷却等措施能够有效保证叶片正常工作,蛇形通道加扰流肋片能够提高叶片的冷却效果。     

陶瓷涂层叶片与内冷强化的性能分析

虽然陶瓷本身具有良好的耐热性能,但粘结剂的温度限制要求加强叶片的内部冷却。本文分析了内冷强化对陶瓷涂层效能的重大影响,提出了加强叶片冷却的几个措施,并通过计算作出了不同冷却条件下叶片前驻点温度与陶瓷涂层厚度的关系曲线。最后利用斯贝MK202发动机一级导向叶片的有关参数对陶瓷涂层叶片进行冷却计算,计算结果表明了采取强化冷却措施后的陶瓷涂层叶片的优良性能。     

涡轮导叶气膜冷却结构半反设计优化方法

气膜冷却技术是高性能燃气涡轮设计的关键。本文研究并建立了涡轮叶片气膜冷却结构的半反设计优化方法。此方法以叶片的一维传热模型为基础,通过约束叶片的气膜冷却效率分布实现对叶片温度分布的半反设计;提出了基于三维CFD计算结果建立半反设计优化数学模型的方法,并采用组合优化问题遗传算法寻优得到满足设计约束且冷气量最小的气膜冷却布置方案。研究表明,气膜冷却半反设计优化方法能够设计叶片气膜布置方案并得到必要的冷气量,同时具有较高的设计效率。     

内部冲击构型对气冷涡轮气热耦合计算影响的对比研究

为了评估复杂冷却涡轮内部冷却结构变化对涡轮气动及传热性能的影响，本文采用气热耦合计算方法对三种具有不同内部冲击结构的高压导叶进行了研究。分析了无冲击冷却结构、冲击挡板结构以及冲击套筒结构对涡轮气动及传热性能的影响规律。结果表明：在气动性能方面，无冲击冷却结构方案总流量最大，带有冲击套筒结构方案最小，同时涡轮气动效率也会随着内部结构的变化而变化；在传热方面，通过对比可以发现两种冲击方案都会对叶片表面最大温度进行降低，但冲击套筒结构方案同时还能够降低叶片表面平均温度。     

关于1+1对转涡轮中热痕现象的研究

热痕现象深刻影响涡轮叶片的热负荷,关于该现象的研究成果将对提高涡轮前温度、优化发动机燃烧室与涡轮叶排周向相对位置等起到促进作用。本文采用无粘时间精确解对热痕现象在所设计１＋１对转涡轮中的作用做了初步研究。     

三维物体稳态及瞬态温度场的有限元分析(复合冷却涡轮叶片三维温度场计算)

本文用有限元素法计算了涡轮叶片的三维稳态及瞬态温度场.计算的边界条件包括燃气加热,内部对流冷却,气膜冷却和冲击冷却的对流换热.计算结果表明,该冷却叶片的温度分布是合理的;计算程序可用于工程实际.     

冷气喷射对直叶栅型面压力及气动损失分布影响的实验研究

提高燃气涡轮比功率，降低比油耗要通过升高涡轮入口温度和压气机压比实现，但必须对涡轮叶片实施诸如气膜冷却等保护措施。Ito和Goldstein[1]，Yamamoto[2]等分别研究了冷气喷射对在叶栅气动性能的影响。本文通过实验研究了冷气喷射对叶型型面压力和叶栅流道内气动损失的影响，并得出了一些有意义的结论。1实验装置实验在哈尔滨工业大学发动机气体动力研究中心低速风洞实验台[3]上进行。图1及表1给出了实验用叶片型线（取自一典型涡轮导向器叶型），冷气喷射孔位置及静压孔分布。叶片表面前缘、吸力面后部和压力面后部开了三列孔，每列孔…     

涡轮叶片综合冷却有效度评价指标研究

在实验室条件下实现航空发动机真实条件下的主流/冷气温比十分困难,因此为了能够在常温下开展叶片综合冷却性能的科学评估,有必要开展叶片综合冷却有效度评价指标的研究。本文在覆盖航空发动机真实运行工况的大温比范围内,采用数值方法对新定义的与温比无关的叶片综合冷却有效度评价指标进行了评估与验证,分析了异性气体对叶片综合冷却有效度的影响规律。结果表明:基于驱动温度的新定义,叶片综合冷却有效度不再随主流/冷气的温比发生变化;比热容通量比是影响综合冷却有效度的重要因素,因此在实验室中采用异性气体作为冷气开展叶片综合冷却性能评估会导致预测误差。     

考虑冷气的某对转涡轮设计简述与流场分析

为进一步缩减涡轮轴向尺寸,提升航空发动机推重比,在考虑冷气的影响下,将某型高负荷1+1对转涡轮改型为1+1/2对转涡轮,并对其内部流场加以分析。研究结果表明,与原型涡轮相比,改型设计在叶片数大幅减少的前提下,效率略有提高且保证了原有的做功量基本不变。此外,对于此类涡轮设计,需考虑大冷气量下通流设计及叶片匹配、高出口马赫数叶型尾缘激波控制、高来流马赫数叶型设计以及高负荷涡轮叶片通道中通道涡对冷却效果的影响等问题。     

某型涡轴发动机涡轮设计与分析

针对某型850马力涡轴发动机,本文采用多圆弧和五次曲线造型方法,初步尝试开展了高压涡轮和动力涡轮的气动设计。对高压涡轮静叶采用了冷却结构,以降低静叶表面温度。对其进行了CFD计算和分析,结果表明,所设计的冷却结构有效地降低了静叶表面温度;高压涡轮内部有分离存在,增大了流动损失;动力涡轮无明显分离存在。总体而言涡轮效率达到了设计要求,还需对涡轮的设计进行优化,以提高涡轮性能。     

叶片安装角偏差对涡轮通道内热斑迁移的影响

叶片的加工和安装偏差不仅直接影响到涡轮的性能,而且可能对叶片通道内热斑的迁移产生影响.为了研究这种偏差对热斑在涡轮中迁移及叶片热负荷等的影响,本文以某高压涡轮级为例,利用三维非定常数值模拟手段进行了研究.结果表明:动叶安装角的偏差对动叶中热斑的迁移如周向迁移有较明显的影响;而热斑迁移的变化将直接影响涡轮动叶压力面和吸力面的热负荷分布,最终影响涡轮叶片的寿命;并且热斑迁移的变化还导致下游支板通道内温度分布产生较为明显的变化,这有可能给发动机排气温度的测量带来偏差.热斑迁移的变化在涡轮的设计和故障分析中应予重视.     

一种燃气涡轮叶片气热性能实验台

随着行业对燃气轮机和航空发动机的性能需求日益增加，研发高效率、长寿命、低排放和大推重比的先进燃气轮机和航空发动机十分紧迫。由于燃气涡轮叶栅内部流动非常复杂，呈现出高度三维流动特征，因此数值仿真和理论分析难以得到准确、可靠的研究结果，必须要有实验研究，为其提供实验数据加以验证。本文介绍了一种新型燃气涡轮叶片气热性能实验台，该实验台具备实现主流温度阶跃上升能力，采用瞬态红外测量技术(IR)可完成不同入射角度、不同节距叶栅、不同类型叶栅(静叶和动叶)的叶栅流动、传热和冷却性能研究。该实验台采用模块化设计，可以实现实验叶栅方便、快速更换，并且开设有实验观察平台，可提供可视化观测和红外温度测量，运用瞬态红外测量技术(IR)和双线性回归(DLRT)数据处理方法研究叶栅传热和冷却特性；同时，在该实验台进行了吹风实验，实验结果表明该实验台达到了设计要求，可以进行旁通气路和实验气路瞬态切换。     

涡轮引气对间冷回热涡扇发动机性能和排放的影响

通过引入涡轮冷却气流量预估模型和NO_x排放预估模型,进一步发展了间冷回热涡扇发动机计算模型和相应的仿真程序。数值分析了涡轮冷却用气引出位置和引气量对间冷回热涡扇发动机的性能和排放的影响。结果表明,从回热器冷端出口引气时,耗油率低于从高压压气机出口引气的情况;涡轮冷却技术提高即冷却用气量减少对降低耗油率有益;从回热器冷端出口引气对减少巡航状态NO_x排放有益;对NO_x排放量影响最大的是燃烧室技术水平。     

航空涡轮发动机中的物理学

航空发动机的技术含量密集而难度高,其制造水平是一个国家工业技术水平的重要标志。航空动力主要使用燃气涡轮发动机,本文简要描述了航空涡轮发动机的结构类型和特性,运用热力学和流体力学的基础理论解释了几种航空涡轮发动机的结构演化,并介绍了航空涡轮发动机的关键技术单晶镍基合金叶片,最后给出了我国航空发动机事业的发展概况。     

基于微束X射线荧光光谱的单晶叶片枝晶成分分布定量统计研究

镍基单晶高温合金是含有10～15种元素的复杂合金,具备优良的高温强度和耐腐蚀性。目前,先进燃气涡轮发动机的涡轮部件几乎都采用空心结构的单晶叶片。叶片服役过程中要承受超过其熔化温度数百摄氏度的高温和巨大离心应力,是工况条件最为恶劣的航空零件,被誉为“工业王冠上的明珠”,研制发展更耐高温的叶片材料以及改进叶片的冷却技术是提高涡轮进口温度的关键手段。新一代的单晶叶片中添加大量难熔元素(如Ta, W和Re等)用来提高承温能力,但这些元素在凝固过程中存在严重的枝晶偏析,导致组织内成分分布不均匀。通常采用复杂的多级热处理来溶解非平衡组织,减小偏析。枝晶间成分的详细表征对优化热处理工艺和叶片设计具有重要的意义。微束X射线荧光光谱是一种无损检测技术,制样简单,无需镀导电膜,可对样品进行多元素同时检测,多用于生物和考古领域,定量表征成分复杂的金属材料存在一定困难,应用案例较少。单晶高温合金具有特殊的十字枝晶组织,尺寸约为几百微米,微束X射线荧光光谱可以满足单晶叶片枝晶成分的详细表征和大区域面积的成分分布定量统计需求。本实验基于微束X射线荧光光谱技术,建立了镍基单晶高温合金枝晶成分定量统计分布表征方法,并...