涡轮叶片不同肋倾角交错肋冷却流动与传热研究

交错肋是航空发动机涡轮叶片的一种高性能内冷结构,为研究涡轮叶片内部交错肋冷却结构的流动和传热特性,针对30?、35?和45?三种肋倾角的交错肋结构进行了雷诺数在17000～70000之间的稳态传热实验和数值模拟研究。数值计算的有效性通过与实验结果进行对比得到充分验证。实验结果显示,在子通道个数和雷诺数均相同的情况下,平均Nu数和摩擦因子均随肋倾角的增大而增加;对比30?倾角的交错肋结构,45?倾角交错肋结构的平均Nu数增加了40.7%,摩擦因子增加了204.9%,综合传热性能提升了13.4%。数值计算结果显示,肋倾角的增大不仅增强了转向区域的冲击作用,而且加强了对侧子通道间的流动掺混,从而达到强化传热的效果。     

瞬态液晶技术在涡轮叶片内部冷却研究中的应用

瞬态液晶测量技术能有效测量物体表面的换热系数,目前已经在传热研究中得到了广泛的应用。本文重点介绍了该测量方法在高温涡轮叶片内部冷却传热研究中的实验过程及应用。对内部冷却U型通道的传热研究表明:气膜抽吸作用下,通道内孔附近的传热得到强化,但区域平均传热系数变化不大;同时抽吸能使带肋通道中的压力损失有所降低。为了满足叶片冷却设计中对传热和压力损失的不同要求,改变弯头区的结构形式是一种有效的手段。实验结果进一步表明,瞬态液晶测量方法能准确地测量内部冷却通道中的传热分布,能为测量和优化涡轮叶片内部冷却传热特性提供可靠的数据支持。     

涡轮叶片前缘冲击-气膜冷却流动传热实验

本文采用瞬态液晶热像技术对涡轮叶片的前缘冲击-气膜复合冷却结构内部传热性能进行了详细实验研究。通过优化改进瞬态液晶热像测试技术实现了对前缘曲率表面传热的可靠准确测量,获得了雷诺数20000～50000范围内内前缘冲击-气膜冷却内部详细传热分布和该复合冷却流阻特性。结果表明:冲击-气膜冷却的努塞尔数和压力损失均随雷诺数的增大而增大;冲击孔偏置使得内部表面平均努塞尔数最多提高9.4%,阻力系数下降约6.0%,且换热的均匀性得到显著提升。     

燃机叶片平行肋扰流内冷通道传热特性研究Part2:耦合传热特性

平行肋扰流通道是高温透平叶片常用的冷却结构。本文通过批量(约1000次)的气热耦合数值计算对不同几何结构平行肋扰流冷却通道的流动与耦合传热特性进行研究.对于固定压差通道,存在使固体外壁温度最低的肋片布置形式及对应的最优冷气量,针对某重型燃机动叶设计了不同肋片角度的平行肋扰流冷却通道并进行了气热耦合数值计算,表明60°肋能在最小的冷气量下取得最强的换热,验证了机理研究的结论.     

涡轮叶片前缘阵列冲击冷却流动及传热特性数值研究

本文采用SST湍流模型模拟了类前缘通道内蒸汽射流阵列冲击冷却的流动与传热特性,分析了雷诺数(Re=10000～50000)、孔径比(d/H=0.5～0.9)和孔间距比(S/H=2～6)对流动及传热性能的影响规律,得到了相应的传热和摩擦关联式。结果表明:在不同雷诺数下,d/H从0.5到0.9变化时,通道压力损失系数降低了76%～79%,靶面平均努塞尔数降低了45%～49%;S/H从2增至6时,通道压力损失系数增加了1.64～1.92倍,靶面平均努塞尔数增加了54%～64%;增大d/H、减小S/H可有效提高类前缘通道蒸汽冲击冷却的综合热力系数。本文研究结果可为未来先进燃气轮机高温涡轮叶片蒸汽冷却结构的设计提供参考和借鉴。     

燃气轮机涡轮叶片冷却通道内的流动与传热研究

本文用实验方法研究了冷却气流在放入一倍模型涡轮叶片内通道的压力分布、冷热态阻力及局部换热系数分布。     

涡轮叶片冷却通道高性能微小肋湍流传热的数值研究

为了提高涡轮叶片内冷通道的换热性能,针对分别带有直肋、斜肋、V肋和W肋这四种微小结构肋的冷却通道进行了数值计算并。通道宽高比为6,肋间距与肋高比为10,肋高与水力直径比为0.029。采用低雷诺数AKN k-ε模型研究了雷诺数范围从36700到60000时四种带肋通道的换热与流动特性并与实验结果相比较,发现通道换热性能和压力损失与稳态实验结果较一致。研究表明,W肋换热性能最优,其平均努塞尔数是流动充分发展的光滑通道的2.2到2.4倍,摩擦因子是光滑通道的3.7～4.0倍。其次是V肋、直肋,斜肋最低。分析流场发现直肋下游回流区最大,壁面努塞尔数在横向上较均匀,而斜肋、V肋和W肋因为二次流的存在回流区较小,壁面努塞尔数沿着肋展方向降低。     

内螺旋肋管流动与传热特性的实验研究

对六种内螺旋肋管进行了流动与传热的实验研究,实验管内径为16．25-16．69 mm,内螺旋肋高为0．28-0．44 mm,螺旋肋牙数为40-45,螺旋角为43°-45°．研究表明,内螺旋肋管可以有效地强化传热,本文所研究的管型的传热强化倍率为1．67-2．99．比较了两种评价内螺旋肋管性能的方法．用Webb模型及Ravigururajan模型对内螺旋肋管进行了性能预测并与实验值进行了比较．两个模型的预测值与本试验结果有较大偏差,相对而言,传热模型稍优．     

高温涡轮叶片三种内冷通道冷却性能的实验研究

本文用实验方法研究了高温涡轮叶片三种内冷通道的压力分布、冷热态流阻及局部换热系数分布．叶片前部分别采用径向光滑通道、集中冲击冷却和分散冲击冷却三种结构，叶片后部则分别采用三排φ3扰流柱和五排φ2扰流柱稠密布置两种结构．对这三种结构进行了冷却性能比较，提出了该类冷却通道的最佳结构．     

微肋管及强化微肋管换热和阻力实验研究

实验研究了微肋管在过渡区及湍流区的换热及阻力性能,并针对微肋管在过渡区的换热强化较差的特点改进其结构.实验结果表明,改进后的微肋管在2300＜Re＜10000时比原微肋管强化换热提高120%,阻力增加70%～120%.     

涡轮机匣内部冷却结构换热特性的实验研究

为获得涡轮机匣内部冷却结构的换热特性,利用瞬态液晶技术测量了动力涡轮机匣中环腔及机匣后腔内表面的换热系数,获得了进口雷诺数(Re=3.0×10~4～9.5×10~4)和出流比(M=0.5～2.0)影响下机匣内表面的换热规律。结果表明:机匣内表面换热系数随射流雷诺数的增大而升高,冲击射流在轴向及周向的发展使得环腔表面形成三角形和圆形高换热区。射流冲击倾斜靶面后,贴壁射流对后腔上表面形成二次冲击,提升了局部换热系数。对后腔下表面而言,随着出流比的增加,冲击靶面上游区域平均努塞尔数逐渐增加,最大增幅分别为8.5%和12.3%,而靶面下游区域平均努塞尔数逐渐减小,最大降幅分别为18.5%、26.3%和34.6%。对后腔上表面而言,出流比的增大对换热系数影响很小。     

微脉冲电子枪动力学实验研究

微脉冲电子枪是一种利用次级电子倍增效应产生强流电子束的微波电子枪.使用氧化镁作为阴极材料进行了微脉冲电子枪的高功率热测实验, 给出了不同射频功率下的发射电流波形, 并观察到了高阶次级电子倍增效应.实验结果与稳态和瞬态粒子动力学以及模拟计算结果定性符合.     

U型通道内部流动与换热的数值研究

应用数值方法研究了燃气轮机叶片内部U型通道内流动与顶部换热特性.采用SST k-ω模型,分析了U型通道内光滑和带凹坑顶部结构以及不同Re数和旋转数对U型通道内部流动和顶部换热的影响。结果表明:在静止条件下,带凹坑结构的通道顶部Nu数较高,并且随着凹坑深度的增加,通道顶部换热能力增强;并且凹坑结构对通道压降的影响较小。随雷诺数增大,凹坑对通道顶部换热增强的幅度降低。在旋转状态下,随着旋转数的增加,通道顶部换热能力增强,但通道压降增大。     

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%。