旋转带肋回转通道换热实验研究

为深入掌握高压涡轮叶片带肋回转通道在旋转状态下的换热分布,建立了旋转内通道实验系统,利用瞬态液晶测量方法研究了动叶回转内通道模型的换热机理,比较了三维数值模拟和实验的换热结果。通道入口雷诺数为5000~17000,旋转数为0~0.09,旋转半径与水力直径之比为46.4。结果表明:不同雷诺数下回转内通道的局部换热系数分布相似,局部、平均换热系数均随雷诺数增加而增大;沿程展向平均换热系数呈多波峰状分布,肋的扰动强化换热沿流向逐渐减弱;径向出流通道的努赛尔数随旋转数增加明显增大,径向入流通道的努赛尔数随旋转数的增加略有减小;哥氏力使转弯下游通道的局部换热系数改变,肋间的高换热区域由前肋的背风面附近向两肋之间偏移。     

高主流湍流度下密度比对涡轮导叶全气膜冷却特性的影响

为了研究高主流湍流度下二次流密度比对涡轮导叶全气膜冷却特性的影响,使用热色液晶测量了在主流湍流度为15%,二次流密度比为1.0和1.5下三维涡轮导叶的气膜冷却效率和换热系数。二次流与主流质量流量比为7.0%和12.5%。结果表明:二次流密度比增大可以降低冷气射流的动量,小流量比工况下,在叶片前缘和压力面前半段,动量较低的二次流在高主流湍流度的影响下更易耗散,增大二次流密度比使冷却效率明显降低;大流量比工况下,二次流动量降低使气膜孔后区域冷气贴附性增强,气膜冷却效率和冷气覆盖效果均得到提升。小流量比工况下,二次流密度比增大对叶片表面换热的影响较小;大流量比工况下,二次流密度比增大使吸力面中弦区域和压力面后半段的平均换热系数比分别降低15%和25%。     

高湍流度时全气膜涡轮叶片表面冷却和换热特性的实验研究

为获得高主流湍流度时全气膜涡轮叶片表面的冷却和换热特性,在跨声速风洞中实验研究了质量流量比(MFR)和主流雷诺数(Re)对叶片表面气膜冷却效率和换热系数比的影响。在叶片前缘布置了5排圆形孔,在吸力面和压力面分别布置了3排和6排圆形孔,实验结果由嵌入在叶片中截面的热电偶测得。实验中基于弦长的主流雷诺数的范围为3.0×105～9.0×105,叶栅出口马赫数Ma为0.8, MFR的范围是5.5%～12.5%,主流湍流度Tu为14.7%。实验结果表明:主流雷诺数升高显著增强了叶片表面的换热,使层流边界层到湍流边界层的转捩位置提前。对于吸力面S/C0.2的区域(S/C为当地弧长与弦长之比),气膜冷却效率受MFR影响明显,当MFR大于7.7%时提高MFR会导致气膜冷却效率降低;该区域的换热系数比在中低雷诺数时受MFR影响较小,在高雷诺数时随MFR升高而升高。压力面S/C-0.7区域的气膜冷却效率随MFR升高而升高,-0.7S/C-0.4区域的气膜冷却效率受MFR影响较小,对于整个压力面而言,MFR升高提高了叶片表面的换热系数。相对于叶片其它区域,压力面后半段区域和吸力面的气膜冷却效率受雷诺数影响较大。     

肋角度对气膜冷却特性的影响

在光滑二次流通道的基础上,分析对比了两种带肋通道(135°肋和45°肋)对气膜冷却特性的影响.采用瞬态液晶测试技术获得了气膜孔下游表面传热系数比与气膜冷却效率分布.使用Fluent软件RANS数值方法对相应结构进行了数值模拟,并使用了realizable k-ε湍流模型.光滑二次流通道模型中,气膜孔内流线呈螺旋状分布,导致较大的孔内速度分离与流动损失.冷气射流分成两部分,其中一股形成一对偏斜的对转涡.135°肋结构中,二次流通道上部分的旋转涡为顺时针方向,使得气流易于流入气膜孔,气膜孔内流线呈直线分布.45°肋结构中,二次流通道上部分旋转涡为逆时针方向,增强了气膜孔内旋转涡.45°肋结构中冷气流入气膜孔之后的流动结构与光滑二次流通道结构相似.135°肋结构气膜冷却效率最大而表面传热系数比最低.     

涡轮导叶吸力面簸箕型孔气膜冷却特性实验研究

为了研究涡轮导叶吸力面的气膜冷却特性,在跨声速涡轮叶栅传热风洞中,采用瞬态方法实验测量了两个位置处的单排簸箕型气膜孔的冷却效率,分析了多个气动参数对其分布规律的影响。两排簸箕型孔分别位于相对弧长6.8%和21.7%处,叶栅通道基于叶片弦长的进口雷诺数为1.7×105~5.7×105,出口等熵马赫数为0.81~1.01,吹风比为0.6~2.1,涵盖了涡轮导叶典型工作状态。结果表明:对于簸箕型气膜孔,设计雷诺数条件下最佳吹风比在0.9~1.2附近,靠近前缘的孔排2的贴附性要好于孔排1;主流马赫数对孔后冷却效率的影响可以忽略,而低雷诺数下的冷却效率低于中高雷诺数工况;簸箕型气膜孔的冷却效率高于圆柱型孔,在BR1.5的中高吹风比时表现更明显;低吹风比时,凸面的冷却效率高于平板,尤其是s/d20距离内,而在高吹风比时,射流动量增加促进了气膜脱离凸面,从而降低了冷却效率。     

带肋壁与出流孔内流通道的流阻特性

采用根据相似理论几何放大的模型，在流动相似的条件下，实验研究了带肋壁与出流孔内流通道的流阻特性。在内流通道进口雷诺数为40000-80000，通道总出流比为0．30—0．60的范围内测量了通道压力损失系数Cp的分布，分析了通道进口雷诺数和通道总出流比对Cp的影响规律。结果显示：在通道进口雷诺数一定时，随总出流比的提高，通道内Cp减小，压力损失减小；在通道总出流比一定时，通道进口雷诺数对Cp无显著影响。另外，在比较了当前内流通道流阻工程算法与实验结果的基础上，提出了对当前流阻算法的改进措施。     

旋转对内冷通道气膜孔流量系数的影响

为了获得涡轮叶片旋转时对气膜孔流量系数的影响,采用非结构化网格及标准k-ε紊流模型,求解三维N-S方程,对带90°肋和气膜孔出流的旋转矩形通道内的三维流场进行了数值模拟,气动参数变化范围是:通道入口雷诺数Re=60000,150000,罗斯贝数Ro=0,0.11,0.22,气膜孔总出流比为0.22和0.09。Ro≠0时,旋转效应对气膜孔流量系数有明显影响,通道顺时针旋转时,科氏力由上壁面指向带气膜孔的下壁面,引起流量系数增加;通道逆时针旋转时,情况相反。计算结果还表明,在通道内同一径向位置处的两个气膜孔的流量系数是不同的,通道顺时针旋转时,进入左侧孔的流体和气膜孔轴线的夹角小于进入右侧孔的流体和气膜孔轴线的夹角,导致左侧孔的流量系数大于右侧孔的流量系数;通道逆时针旋转时,情况相反。Ro=0时的计算结果与实验数据符合很好。     

气动参数对后台阶三维缝隙换热影响的研究

针对涡轮叶片尾缘冷却结构特点,建立了后台阶三维缝隙结构气膜冷却特性试验台,测量了缝隙中心和肋中心下游换热系数的局部分布,研究了不同雷诺数Re(5000~15000)与吹风比Br(0.5~2.0)对换热系数的影响规律,试验结果表明:(1)出口的换热系数总体呈下降趋势,但在肋后中心线略有起伏;(2)随着Re的增大,换热系数增大,随着Br的增大,换热系数减小;(3)在靠近出口位置,由于热边界层与三维掺混特性流场的影响,使得换热变得复杂。     

带肋和双排出流孔通道的流动特性

研究了通道进口雷诺数和总出流比对带肋和双排出流孔通道流量系数和压力分布的影响。实验研究的通道入口雷诺数为3×104~1.5×105,通道总出流比为0.09~0.22。结果表明:通道总出流比较小时,流量系数沿流向减小。通道进口雷诺数增加,流量系数先增加,之后基本不变;通道总出流比较大时,流量系数基本不变;各工况下总压系数沿流向依次经历迅速减小、基本不变、继续减小的过程;沿流向各位置上的总压系数在通道进口雷诺数为6×104~9×104时最小;出流比增大,沿流向各位置上的总压系数随之增大。     

涡轮叶片表面气膜冷却效率的实验研究

采用放大的叶片模型，利用大尺寸低速线性叶栅风洞进行实验，测量了涡轮导向叶片表面不同位置单排气膜孔的气膜冷却效率，研究了孔排位置、吹风比及来流雷诺数的影响。风洞实验段由3个叶片组成，其中中间的叶片为试验叶片，由优质木材制成。试验叶片表面上开有15排气膜孔，其中吸力面3排，前缘区6排，压力面6排。实验的参数变化范围是：基于叶片弦长的来流雷诺数250000-450000，吹风比0．5-2．5。结果表明，由于气膜孔排位置的不同，其下游冷却效率受来流雷诺数及吹风比影响的变化趋势也有所不同。