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。     

带肋气膜冷却平板的数值模拟研究

本文对不带肋和带45°肋气膜冷却平板的三维对流换热与导热耦合传热问题进行了数值模拟。网格划分采用非结构化网格,湍流模型为SSTκ-ε模型,近壁处采用壁面函数法,采用SIMPLEC算法求解速度和压力的耦合。计算获得了不带肋和带45°肋气膜冷却平板的流场分布和平板内外表面的换热系数值。结果表明带45°肋的气膜冷却平板通道流场结构比较复杂,平板表面平均温度较无肋气膜冷却平板表面平均温度下降,而在近气膜孔区域冷、热表面平均换热系数较无肋时增大。     

瞬态液晶传热测量技术

本文介绍了作者在英国牛津大学发展的瞬态液晶传热测量技术。给出了叶片冷却通道内一侧壁上气膜孔附近、气膜孔与肋复合以及气膜孔与肋-槽复合的传热分布的详细图谱。瞬态液晶技术用于复杂几何表面传热系数高分辨率的测量是成功的。     

涡轮叶顶冷却布置对叶顶传热冷却性能的影响

本文采用数值模拟的方法,对比分析了1+1/2对转涡轮四种不同的叶顶冷却布置方案对叶顶传热、冷却性能以及气动特性的影响。四种布置方案分别是:靠近压力面垂直叶顶方向、靠近压力面且与叶顶有30°出射角、中弧线位置垂直叶顶方向、中弧线位置有30°出射角。研究表明,气膜孔沿压力面布置与气膜孔沿中弧线布置相比可以降低叶顶传热系数;由于气膜孔倾斜布置气膜射流动量降低,且削弱了肾形涡的影响,气膜的侧向覆盖范围增大。因此气膜孔靠近压力面布置可以提高气膜冷却效率;气膜孔靠近压力面且有30°出射角比垂直布置叶顶热负荷减少2.7%。另外,气膜孔靠近压力面布置可以降低主流的泄漏流量,有利于减小泄漏损失和提高涡轮效率。     

各向异性涡黏模型在通道分离流动中的应用

本文针对燃机带肋冷却通道发展了一种考虑近壁特性和远壁流动各向异性特点的代数各向异性涡黏模型。本文针对肋片处分离流动的各向异性特点,结合隐式代数应力模型和各向同性涡黏模型,推导各向异性因子修正三个正向涡黏系数,反映正雷诺应力的各向异性特点。同时,通过近壁分析完善k和ε封闭形式。将各向异性涡黏模型应用到,1)后台阶流动预测中,湍流流动预测精度提高约10%;2)带90°肋通道流动传热预测中,平均流动预测精度得到改善,传热预测精度提高6%~10%。结果表明,本文针对内冷通道的分离流动作出的各向异性修正是有效的。     

收敛通道内气膜孔及其与矩形肋复合的强化传热

本文研究了收敛通道内一侧壁上分别具有孤立气膜孔、多排气膜孔以及气膜孔与矩形肋复合的传热特性。用热敏液晶作为高分辨率的表面温度指示计,提出了详尽的强化传热因子的图谱,用表面切应力敏感液晶显示了该传热面上的流动图型。     

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...     

梯形带肋内部冷却通道的流动及传热特性

本文将燃气轮机内部冷却通道简化为梯形截面带肋U型通道,采用瞬态热敏液晶技术获得不同雷诺数下通道表面的努塞尔数分布并与RANS和DES数值模拟对比。结果表明,斜置肋片引起的二次流沿程发展导致通道进出口段传热沿程发展,通道截面变化也对传热分布影响较大。DES方法比RANS方法更好地捕捉到了梯形带肋U型通道中的传热分布规律。     

带肋通道和气膜冷却交互下的绝热和耦合传热研究

燃气轮机透平叶片冷却中,内部肋片扰流对气膜冷却效果有显著影响,当边界条件为金属壁面绝热和金属壁面耦合时,冷却效率会有不同的表现。本文采用数值计算方法,分别计算绝热边界和耦合边界条件下,气膜孔进口与内部冷却扰流肋片不同相对位置条件下的绝热气膜冷却效率和耦合条件下的整体冷却效率进行计算。结果表明当气膜进口位于肋后扰流区时,绝热气膜冷却效率较差。绝热边界和耦合边界条件下流场相似,气膜孔与肋片相对位置对于气膜孔下游整体冷却效率的影响与绝热条件相似。     

冲击冷却对燃气轮机尾缘双流程内冷通道传热和压损的影响

燃机内部冷却的目标是采用更小的流量和压力损失实现通道对流传热系数的提高,并利用均匀的冷却减小热应力。本文采用数值模拟手段,研究了局部冲击冷却对带侧向出流的尾缘双流程通道传热和压损的影响。研究表明:动叶尾缘通道由于侧向出流,在页顶出现一个显著的大回流涡,当地传热系数低,易造成叶片局部温度和热应力偏高。通过在U型通道的隔板布置冲击子孔,可以有效地减小通道中分离涡的影响,提高通道末端的传热,并在对通道平均传热系数影响不大的前提下,显著降低通道阻力。使射流与靶面尽量垂直有助于达到最好的冷却效果。     

周期性压力波动对气膜孔流动特性影响的研究

针对主流周期性压力波动的非稳态气膜冷却现象,分别采用非稳态及准稳态数值模拟进行了计算,通过对比揭示了非稳态气膜冷却现象的特征。结果表明:相对于主流的压力波动,气膜孔出口受到上一个时刻压力的影响,呈现出了波动延迟特性;针对本文所研究的波形特点,压力波动一方面导致压差(二次流与主流压力差值)变化无法快速直接地影响到二次流流动,阻止了倒流的发生,使得二次流流量更加稳定;另一方面,其携带的压力波动效应使得气膜孔出口形成贴壁性较好的环向外旋涡,将喷射出去的二次流重新带回壁面,使得二次流贴敷壁面。对于某一特定的主流波动特性而言,是存在在最佳设计长径比使得气膜孔质量流量特性及防止倒流特性达到最佳。本文研究对于涡轮周期性压力波动作用下的气膜孔气膜冷却研究具有较大的意义。     

Experimental and numerical study of the effect of conjugate heat transfer on film cooling

Combined convection heat transfer and thermal conduction for film cooling of a flat plate with 45° ribs on one wall was investigated experimentally and numerically. The flat plate surface temperature was measured using thermochromic liquid crystals. The results show that the film cooling is the main mechanism for the local cooling with a very low thermal conductivity while the convection heat transfer of the coolant in the coolant channel is the dominant heat transfer mechanism for the high thermal conductivity plate, with both film cooling and convection heat transfer by the coolant being important with medium thermal conductivity walls.     

Effect of impingement jet on the full-coverage film cooling system with double layered wall

The present study was conducted to evaluate the total cooling effectiveness in combined full-coverage film cooling and impingement jet using an infrared thermographic technique. The effect of film cooling hole angle, blowing ratio, and height to diameter ratio between the film cooling and impingement jet plates was discussed. The total cooling effectiveness increased as impingement jet cooling was added. The angled film cooling holes had approximately 4.6% higher total cooling effectiveness than the normal film cooling holes. The total cooling effectiveness was almost constant regardless of height to diameter ratio, but enhanced as the blowing ratio was increased.     

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   

旋转条件下热驱动换热效果比较研究

本文在涡轮叶片新型超级冷却技术机理研究的基础上,设计了旋转条件下带冷却通道的新型超级冷却与涡轮叶片粗糙肋强化冷却对比实验。主要研究了旋转条件下带冷却通道的新型超级冷却换热规律,对比研究了粗糙肋强化冷却换热效果,通过对两种冷却技术换热效果的对比分析,结果表明:基于热驱动理论的新型超级冷却技术具有较好的换热效果。     

Experimental and Numerical Study of Film Cooling with Internal Coolant Cross-Flow Effects

This study experimentally and numerically analyzes the effect of the coolant cross-flow on film-cooling effectiveness. The three kinds of film holes considered are cylindrical, fan-shaped, and trenched holes. The results show that the internal coolant flow has a large effect on film cooling. The film-cooling effectiveness of the cross-flow coolant model is larger than that of the plenum model for the cylindrical and trenched holes, but it is less for the fan-shaped hole. A comparison of the experimental and numerical results shows that the Reynolds averaged Navier–Stokes model exaggerated the coolant diffusion downstream but underestimates the lateral distribution.     

非定常尾迹对气膜冷却影响的数值研究

利用数值计算的方法研究了非定常尾迹对动叶气膜冷却效率的影响。在动叶叶片上开有5个气膜孔,重点研究了非定常尾迹对压力面第二个、吸力面第一个气膜孔周围的流场和温度场的影响。发现尾迹会使冷却气流的流向发生很大的改变,甚至发生"分流"、"逆流"的现象,这一点既和尾迹形成的低速区有关,也和气膜孔的位置有关。     

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%。