涡轮叶栅前缘上游端壁气膜冷却的传热实验研究

对前缘上游有单排和双排孔冷却的涡轮导向叶栅端壁进行了详细的传热实验,在吹风比1,2,3下获得了当地气膜冷却效率和换热系数,结合流场测量结果分析了端壁冷却和换热规律。结果表明端壁气膜冷却在很大程度上受二次流的影响,冷却效果主要由吹风比决定,低吹风比喷射时,压力面附近的一个三角形区域没有冷气的覆盖,中、高吹风比喷射可以大幅度提高平均冷却效率并使冷气很均匀的覆盖在端壁上,双排孔喷射比单排孔喷射平均效率提高1倍左右。结果还表明尽管冷气喷射使端壁换热系数随吹风比的增大而显著增大,气膜冷却还是能有效的降低端壁的热负荷,其中以中吹风比双排孔喷射的效果最为显著。      

涡轮叶栅前缘上游端壁气膜冷却的流场实验研究

对前缘上游端壁有单排和双排孔冷却的大尺寸低速涡轮导向叶栅进行了气动测量、热示踪和端壁流场显示,在吹风比1～3范围获得了叶栅内的详细流场、冷气的空间分布和端壁上的流动图案。结合先前测得的没有冷却时的流场数据,这些结果表明端壁气膜冷却对叶栅流场结构有重大影响,吹风比是主宰射流与二次流间相互作用的主要因素,双排孔喷射使冷气比单排孔喷射更贴近端壁。低吹风比喷射冷气不能到达压力面并被二次流逐渐卷离端壁;中吹风比喷射有效的抑制了二次流的形成,并使端壁流线偏向于无粘流流线,冷气很均匀的覆盖在端壁上。      

喷射角对涡轮叶栅端壁气膜冷却的气动影响

在大尺寸低速平面叶栅风洞中,对前缘上游有单排气膜孔的涡轮导向叶栅端壁气膜冷却进行了气动实验。在喷射角25°,35°和45°以及吹风比1,2,3下详细测量了叶栅通道中的三维流场,得到了全速度和二次流速度分布,并由此计算了二次流动能的大小。着重研究了喷射角对端壁气膜冷却的气动特性和对叶栅通道中特别是端壁附近的流场结构的影响。数据表明减小喷射角度可以减小通道涡的强度和尺寸,使冷气射流核心更贴近壁面,但同时也明显地增大了壁面附近的气流速度。在高吹风比下,35°喷射时射流将冷气输运到压力边的能力比25°喷射和45°喷射都要强。     

出流结构对涡轮叶栅端壁气膜冷却效率数值研究

通过对涡轮叶栅端壁上游不同气膜冷却结构模型进行数值模拟,得到了不同吹风比情况下,涡轮叶栅端壁的流动与换热特性.结果表明:圆柱形孔冷气射流在孔下游与主流相互作用形成一对转动方向相反的耦合涡,对涡轮叶栅端壁的气膜冷却效果不利.前向扩张孔降低了孔下游耦合涡的强度,对涡轮叶栅端壁总体气膜冷却效率要优于圆柱形孔.前向扩张缝结构增大了射流宽度,冷却了孔间端壁,对涡轮叶栅端壁总体气膜冷却效率要优于圆柱形孔和前向扩张孔.      

进口不重合和轴对称造型对跨声速涡轮叶栅端壁传热特性的影响

为有效评估实际燃气涡轮叶栅进口端壁不重合和轴对称收敛端壁造型对叶栅端壁传热特性的影响,以某工业燃气涡轮第一级跨声速导向叶栅为研究对象,基于商用CFD软件ANSYS Fluent 15.0,研究了3种端壁结构:简化平板端壁、具有子午面轴对称收敛造型的实际涡轮叶栅外端壁(叶顶)和内端壁(叶根)在设计工况(进口湍流强度为16%,出口马赫数为0.85)下的流动和传热特性。计算分析了2种进口端壁不重合度(进口后向台阶高度为0、 6.78 mm)下,3种叶栅端壁结构的端壁热负荷分布、近端壁二次流结构和后台阶涡系发展。结果表明:轴对称收敛端壁造型和进口端壁不重合均会显著改变叶栅端壁二次流结构和热负荷分布规律;轴对称收敛端壁造型可在一定程度上减小端壁热负荷,尤其是叶片前缘肩部和喉部下游等易发生热腐蚀的冷却气膜难以覆盖区域;燃气涡轮实际运行中产生的进口端壁不重合导致叶栅前缘上游典型高传热区面积和强度(增大约140%)显著增大并向叶栅通道内迁移,使叶栅端壁承受着极高热负荷;实际燃气涡轮第一级导向叶栅端壁冷却方案设计必须充分考虑实际端壁造型结构和燃烧室-涡轮交界面端壁不重合对端壁热负荷分布的影响。      

涡轮叶栅端壁气膜冷却数值模拟

对前缘上游有双排气膜孔的涡轮叶栅端壁气膜冷却进行了气动和传热数值模拟。计算模拟了两排26个气膜孔,每个孔截面的网格数达到近200个,计算域包括了供气腔。计算得到了端壁气膜冷却的冷却效率分布并进行了冷气射流粒子示踪。计算揭示了端壁气膜冷却的流动与传热传质机理,并据此提出了端壁抛射气膜冷却的概念。结果表明数值计算可模拟气膜冷却的主要流动与传热特征,但在数值的准确性上还需要进一步的完善。     

超声速涡轮叶栅超声速气膜冷却数值研究

为了研究超声速涡轮叶栅通道内的超声速气膜冷却,采用数值计算的方法,对主流压比2.33~4、冷气入射角度15°~45°条件下的涡轮叶栅超声速气膜流动和传热进行了研究。计算结果表明:超声速气膜射流与主流作用后产生的斜激波与尾缘激波交汇,形成两道反射激波,其中一道反射激波作用在气膜孔下游的叶片表面又形成了反射;在不同的主流压力下,超声速气膜射流在叶片法向和展向上展现出不同的发展特征,对转涡对(CVP)在展向上相互挤压,扼制了高温主流卷入叶片壁面;主流压比增加到4,气膜射流区在法向拉长,在展向相对较弱,导致主流在对转涡对(CVP)的作用下被卷入气膜射流的底层,壁面冷却效率降低;气膜入射角从15°增大到45°,冷却效率整体上呈先上升后下降趋势,在入射角30°时冷却效率相对最大,这与射流的穿透能力、冷却气流再覆壁面特征有关。     

喷射角对涡轮叶栅端壁气膜冷却传热的影响

在大尺寸低速平面叶栅风洞中,对前缘上游有单排气膜孔的涡轮导向叶栅端壁气膜冷却进行了详细的传热实验。在喷射角为25°,35°和45°以及吹风比为1,2,3下测量了端壁面上的局部冷却效率和换热系数,并由此计算出了叶栅实际工作状态下的端壁热负荷。着重研究了喷射角对端壁气膜冷却的影响。数据表明减小喷射角度虽然能够显著的提高冷却效率,但同时也明显的增大了换热系数,最终的冷却效果取决于端壁热负荷的大小。     

带气膜冷却的涡轮叶栅气动损失的计算

对计算带气膜冷却的涡轮叶栅气动损失的混合层法进行了分析及改进。对叶片上不同部位开孔情况下的气动损失进行了计算 ,结果表明改进后的新方法具有更好的准确性 ,基本达到了工程实用的要求。还预估计算了出流冷气与壁面夹角 φ及出流冷气对主流偏角θ改变时对叶栅效率的影响     

涡轮叶栅端壁表面换热系数的测量

在大尺寸低速开式叶栅传热风洞中对一种高压涡轮导向叶片构成的直叶栅通道端壁表面的换热特性进行了试验研究。在雷诺数为 750 0 0～ 30 0 0 0 0的范围内,采用热膜法测量了端壁换热系数的分布,研究了Re数对叶栅端壁换热的影响规律;同时给出了端壁平均 St数与来流 Re数之间的准则关系式     

分腔流量比对涡轮曲端壁表面冷却特性实验

利用高速风洞及压敏漆（PSP）技术,研究了端壁表面不同分腔流量比对端壁表面的气膜冷却效率的影响。对比各个分腔在不同流量比下端壁表面的气膜冷却效率的详细分布发现：端壁表面的气膜冷却效率随着槽缝流（分腔1）流量比的增加而增大,随着槽缝喷射冷气流量的增加,冷气在端壁表面的覆盖范围变广,同时冷却效果也有所提升;随着端壁前部分腔（分腔2）冷气流量比的增加,叶栅通道喉部上游区域的冷却流体会出现明显的吹离壁面的情况,端壁表面的气膜冷却效率也会随之减小;端壁后部分腔（分腔3）冷气流量比对端壁表面的冷却效率的影响与分腔2类似。     

跨声速叶栅通道中叶片压力面簸箕孔型气膜冷却特性

在跨声速叶栅通道内,试验研究了叶片压力面气膜冷却特性,详细地对比分析了在不同主流进口雷诺数(Re=1.7×10⁵,3.7×10⁵,5.7×10⁵)、出口马赫数(Ma=0.81,0.91,1.01)及多个气膜吹风比(M=0.5～3.0)条件下的压力面簸箕孔型气膜冷却效率。试验结果表明:主流出口马赫数变化对气膜孔下游冷却效率的分布与具体数值均无影响;而主流进口雷诺数的影响较大。增大主流进口雷诺数使得气膜分离再贴附对应的吹风比相应增大,Re=1.7×10⁵时在吹风比M=1.0时出现气膜分离与再贴附现象,而Re=3.7×10⁵和Re=5.7×10⁵对应的临界吹风比则分别为2.0和2.5;主流进口雷诺数越大,小吹风比下近孔区域的冷却效率越高,而在孔下游区域则相反;大吹风比下,则主流进口雷诺数越大冷却效率越小。     

涡轮叶栅超声速流场流动特征与气膜冷却特性

应用shear strain transport(SST) k-ω 两方程湍流模型,对超声速涡轮叶栅通道内气膜冷却特性进行数值研究,得到不同气膜孔倾角和吹风比下叶栅通道内流场流动特征以及气膜冷却效率的变化规律.在激波入射点附近的气膜射流能够向分离区边界层中补充动量,克服逆压力梯度,有效改善由于激波引起的局部过热.亚声速流动状态下的气膜入射角度对冷却效率的影响能够在较大吹风比下得以体现,而超声速主流状态下,气膜冷却效率与入射角度基本无关,说明亚声速的气膜冷却射流对超声速主流的穿透力要弱于对亚声速主流的穿透力;超声速主流条件下,在激波入射位置的气膜冷却效率要高于激波入射位置下游的气膜冷却效率,这与气膜孔出流在当地的湍流度有关.      

吹风比对旋转涡轮叶片气膜冷却的影响

对1.5级涡轮叶片在旋转状态下不同吹风比时的气膜冷却特性进行了实验研究.实验中基于动叶弦长的涡轮进口主流雷诺数为1.6451×105,冷却工质采用二氧化碳,对应主流射流密度比为1.57,实验涡轮转速为475 r/min,对应旋转数为1.901,吹风比为0.5~2.0.采用稳态液晶方法测温.结果表明:①压力面上,随吹风比的增大,气膜冷却效率升高,气膜覆盖区域增大,气膜轨迹的偏转程度减弱;②吸力面上,随吹风比的增大,气膜冷却效率先上升后下降,气膜覆盖区域亦先增加后减少,气膜轨迹的偏转程度不明显;③射流流动的曲率半径影响气膜对壁面的附着.      

温比对第一级导叶端壁气膜冷却特性的影响

利用高温风洞及远红外热像技术,在两种主燃气与冷气温比(TR)(1.64、2.68)和4种气膜注射吹风比(BR)(0.6、1.0、1.5、2.0)下,研究了导叶端壁十排复合角度圆形气膜孔的综合冷却效率。对比高、低温比下的实验结果发现:(1)在无气膜时,端壁前缘的最高温点会因主流温度的提高而更靠近叶片前缘;(2)气膜出流时,端壁近吸力面区域冷却效率高于近压力面区域,冷却效率随BR的提高而不断增大,且BR从1.0增加到1.5时,冷却效率增幅最明显;(3)在同一BR下,端壁的综合冷却效率会随TR的增加而提高,但随着BR的不断加大,TR对端壁平均冷却效率的影响逐渐减小,即:相比于TR为1.64下的面平均冷却效率,TR为2.68工况下的平均冷却效率在BR为0.5时可提高18.2%,而在BR为2.0时,其只相对提高了8.8%。     

涡轮平面叶栅非轴对称端壁优化设计

开发了一套造型灵活直观、网格生成速度快的涡轮平面叶栅非轴对称端壁优化设计工具,该工具的核心技术是非均匀有理B样条(NURBS)曲面造型和网格变形.在此基础上以商业软件Isight为优化驱动器,以CFX为求解器,搭建了非轴对称端壁优化设计流程.以Pack B涡轮平面叶栅为例,对其进行了非轴对称端壁优化设计.优化后涡轮平面叶栅总压损失系数减小了12.96%.结果表明:涡轮平面叶栅端部的静压分布改变削弱了涡轮平面叶栅通道中马蹄涡、通道涡的强度,提高了涡轮平面叶栅的气动性能.      

上端壁翘曲对涡轮叶栅流场的影响

利用N－S方程求解程序，对采用不同端壁结构的三套大转角涡轮叶栅进行了数值模拟，探讨了上端壁翘曲对涡轮叶栅内气流流动的影响。计算结果表明,上端壁翘曲后，上半翼殿内的二次流流场发生了明显的变化，非轴对称端壁是控制叶栅内二次流流动的一种有效的方法。     

非定常环境下动叶气膜冷却流场的数值模拟

对非定常环境下动叶气膜冷却的流场进行了数值模拟,研究了动静部件之间非定常效应对气膜冷却效率的影响.计算结果表明,静叶的尾流迁移在冷气喷射位置处时,冷气在喷射位置下游壁面附近的覆盖宽度增大,距喷射位置下游约30%弧长范围内具有较高的气膜冷却效率,但在喷射位置附近的冷却效果略差一些.气膜冷却效率的振荡幅度随着吹风比的增大而增大.由于端壁附近旋涡的影响,冷气很难到达端壁附近,而是被卷吸到喷射位置的下游去,在喷射位置下游靠近端壁附近的冷却效果更好一些.      

涡轮转子叶片异型气膜孔冷却数值研究

采用数值模拟的方法,研究了发动机工作条件下涡轮转子叶片压力面异型气膜孔的冷却特性,分析了吹风比和旋转雷诺数对气膜冷却的影响.结果表明:旋转条件下,气膜射流受离心力和哥氏力作用朝叶尖方向发生偏转,射流涡结构发生改变;随着旋转雷诺数增大,气膜射流向叶尖的偏转量逐渐增加,展向冷却均匀性提高,展向平均冷却效率略有提升;同一转速下扇形孔和收敛缝型孔能有效抑制气膜分离,展向平均冷却效率沿下游单调变化,随吹风比增加而升高,吹风比越小气膜射流向叶尖偏转越明显;旋转条件下,扇形孔与收敛缝型孔射流较圆孔射流仍有明显的冷却优势.