扇形气膜孔几何参数对气膜冷却效率的影响

气膜冷却技术广泛应用于航空发动机火焰筒、涡轮叶片等热端部件的冷却。与常规圆柱形气膜孔相比,扇形气膜孔冷却效率更高。为更全面地掌握在典型大涵道比商用航空发动机燃烧室火焰筒工作环境下扇形气膜孔气膜冷却效率随几何参数和吹风比的变化规律,采用数值模拟方法研究了扇形气膜孔的流动和换热,分析并讨论了气膜孔板厚度、气膜孔出口宽度、气膜孔入口圆柱段长度、气膜孔倾斜角以及吹风比对扇形气膜孔下游流场和热侧面气膜冷却效率分布的影响。结果表明：在小吹风比条件下,几何参数的变化对冷却效率影响很小;而当吹风比较大时,冷却效率随几何参数的变化规律可能受其他几何参数的交叉影响;几何参数的变化将诱发不同的卵形涡结构,从而对气膜孔下游的冷却效率分布造成较大的影响。     

上游横向间断肋布置方式对气膜冷却性能的影响

为了采用气膜冷却来保护燃气轮机叶片免受高温侵蚀,针对进一步提高气膜冷却效率、减少冷却空气消耗量的需求,提出了带有上游间断肋的气膜冷却结构。采用k-ε湍流模型数值研究了带有上游横向肋结构的气膜冷却性能,分析了横向无间断肋、两侧间断肋、间断数段肋和中间间断肋这4种上游不同横向肋布置方式对气膜冷却流动的影响,比较了4种结构的气膜冷却效率和换热系数。结果表明:横向肋对下游冷气的卷吸能力与肋片长度有关,与肋片的布置方式无关;不同肋片布置方式会产生不同的涡结构,即中心间断肋会诱导主流产生一个与肾形涡旋转方向相反的涡对,从而增加冷却射流的展向扩散,有利于提高下游气膜冷却性能,而两端间断肋会诱导主流产生一个与肾形涡旋转方向相同的涡对,该涡对会进一步抬离冷却射流,降低下游气膜冷却性能;在气膜孔上游布置中心间断肋能提供最高的展向平均绝热气膜冷却效率和实际热降值。     

叶片前缘扩张形孔气膜冷却特性的数值模拟

考虑曲率的影响下计算获得了叶片前缘带扩张形孔的气膜冷却特性,分析了平均吹风比对气膜冷却效率的影响,并与传统的圆柱形孔气膜冷却特性进行了对比.结果表明:与圆柱形孔相比,扩张形孔射流的覆盖面更宽,冷却效率更高.     

吹风比对平板气膜冷却效率影响的数值模拟

 为了揭示吹风比M对气膜冷却效果的影响规律,在M=0.5,1.0,1.5,2.0工况下对平板气膜冷却圆柱孔模型和扩散孔模型进行了流动和传热的数值模拟对比研究。计算时基于控制容积法对三维定常不可压缩N-S方程进行离散,采用SIMPLEC算法,湍流模型选取可实现k-ε着模型,壁面函数采用增强壁面函数,分析比较了壁面温度分布、速度矢量和气膜冷却效率。结果表明,随吹风比增大,射流容易脱离壁面。在孔口附近区域,对圆孔而言吹风比对冷却效率的影响不明显,而对扩散孔冷却效率随吹风比增加而提高。在射流向下游发展过程中,就扩散孔而言较大的吹风比使得射流沿流向的覆盖区域增大;就圆孔而言较大的吹风比射流出现了回流,近下游位置处的冷却效率提高而远下游处的冷却效率降低。由此可见,针对不同的孔型,冷却效率随吹风比的变化规律不尽相同,圆孔的冷却效率不随吹风比单调变化,扩散孔的冷却效率随吹风比的增加而提高。     

气膜抽吸与叶片前缘内部壁面射流的作用机制

为揭示气膜抽吸对壁面射流流动与换热的干涉效应,获得壁面射流冷却通道内的流动特性与换热特性,建立了涡轮叶片前缘带气膜抽吸的单通道壁面射流冷却计算模型。采用RANS方法,结合SST k-ω湍流模型,研究了气膜抽吸、射流雷诺数、气膜孔位置和数量等因素对壁面射流内部冷却特性的影响机制。结果表明：气膜抽吸会大幅提高流动结构的稳定性,气膜孔入口的分离涡则会显著提高孔口附近的换热系数;气膜抽吸引起壁面射流流量的降低不利于靶面下游的冷却,但滞止区和通道内的流动损失降低幅度大于气膜孔内的掺混损失,从而使整体流动损失系数降低了4.5%;射流雷诺数的增加会提高换热强度,但对流动结构几乎没有影响;单孔结构中,在前缘滞止线处开孔能够提供最高的气膜流量比,且对前缘内部靶面的冷却效果良好;多孔结构中,双气膜孔结构的流动损失最大,三气膜孔结构的流动损失和换热强度最为均衡。研究结果可为壁面射流冷却结构的气膜孔布置提供依据,为进一步提高壁面射流冷却结构的冷却效果提供参考。     

带槽双射流气膜冷却数值研究

针对双射流气膜冷却在提高气膜冷却效率中存在横向冷却效果不佳的问题,提出了一种带槽结构的双射流气膜冷却方式,即在气膜孔出口处垂直于流向横开一槽,并在平均吹风比为1.9时,采用CFX商用软件及剪切应力输运湍流模型对带槽双射流结构的流动与冷却特性进行数值研究,获得了横槽倾角对气膜冷却特性的影响规律。研究结果表明:在相同孔间距下,带槽结构能明显改善气膜在被冷却壁面的横向分布,增大气膜的横向覆盖面积,有效提高气膜冷却效率;不同的横槽倾角对气膜冷却效率具有重要的影响,倾角均为30°时的方案冷却效果最好;沿中心线远离气膜孔处出现未冷却区域,这可能与吹风比、横槽倾角、槽宽等参数有关。研究结果为射流冷却的流动与换热特性研究提供了参考依据。     

介质阻挡放电涡发生器等离子体激励条件下壁面气膜冷却性能研究

采用数值方法研究了介质阻挡放电涡发生器(DBD-VGs)等离子体激励条件下的壁面气膜冷却特性,分析了不同归一化激励强度与归一化激励频率条件下壁面附近的流场结构及冷却性能,获得了DBD-VGs等离子体激励对壁面附近冷、热气流运动的影响机制。研究发现:DBD-VGs等离子体激励有利于诱导冷却孔下游壁面附近流场形成反肾形涡对,抑制原有肾形涡对结构的发展,进而减少近壁面冷气的抬升,改善壁面气膜冷却性能。当归一化激励强度从20提升至50、激励频率从0.625提升至2.5时,冷却孔下游壁面与冷气的展向接触范围逐渐扩展,壁面气膜冷却性能明显增强。当归一化激励强度从0提升至40时,壁面中线与展向平均的气膜冷却效率极值分别增大了60%及420%;当归一化激励频率从0提升至1.25时,壁面中线和展向平均的气膜冷却效率极值分别增大了50%及286.7%。与单介质阻挡放电(SDBD)等离子体激励相比,DBD-VGs等离子体激励可在较低的激励参数下获得较高的展向平均气膜冷却效率;在相同激励参数下,DBD-VGs等离子体激励使冷却孔下游壁面与冷气展向接触程度的提升效果更为显著。     

正弦脉动激励对气膜冷却特性的影响

为了探究正弦脉动激励对气膜冷却特性的影响,采用大涡模拟方法,针对具有正弦脉动特征的气膜冷却射流与平板主流的相干机制展开研究,在平均吹风比为0.5和1.5的条件下重点研究脉动频率和幅值对气膜冷却流动传热的影响。研究结果表明：在高吹风比工况下,冷气脉动有助于提高气膜冷却性能,而在低吹风比工况下,作用效果完全相反;增大脉动幅值强化了肾形涡对的卷吸作用,而脉动频率变化的影响则不明显;在正弦脉动下,没有出现方波脉动那样大尺度的起动涡结构;与连续性射流相比,脉动射流可以显著提升气膜孔下游的湍流动能,但随着流向距离增加,脉动射流的影响变弱;功率谱密度分析结果表明,冷气脉动对小尺度涡旋能量的影响较明显。     

叶片全表面换热系数和冷却效率的实验测量

采用瞬态液晶技术测量了涡轮导叶叶片全表面的换热系数和冷却效率.实验叶片前缘区域有5排复合角度圆柱形气膜孔,压力面有10排圆柱形孔,吸力面有2排圆柱形孔和2排扇形孔,气膜孔排由2个供气腔供气.实验叶栅由3个直叶片构成,叶栅进口雷诺数是1.1×105,前腔二次流与主流的质量流量比为5.87%,后腔为1.06%.实验测量获得了叶片表面换热系数和冷却效率的二维分布云图,结果表明:气膜孔下游的换热系数和冷却效率都较高;扇形孔下游的冷却效率比圆柱形孔的高;受叶栅通道涡的影响,吸力面气膜覆盖区域收缩,压力面气膜覆盖区域扩张;吸力面换热系数分布受气流分离和通道涡影响.     

燃气轮机动叶气膜冷却效果评价方法的改进

为了更全面地对气膜冷却叶片的整体冷却效果进行评价,以气膜冷却效率评价指标为出发点,引入平均冷却效率和不均匀度系数2个新的评价指标,应用FLUENT软件对某型大功率燃气轮机第一级动叶在不同工况下进行了数值模拟计算,用新定义的评价指标对叶片冷却效果进行了分析。研究结果表明,冷却效率评价指标对单孔或放大的模型能够有效地表达气膜冷却效果的好坏,但其局限性是不能定量地反映气膜冷却效果的均匀性,从而使得气膜冷却效果整体评价不全面。通过平均气膜冷却效率值和不均匀系数值分布规律发现,同一吹风比条件下,随着孔间距的增大,冷气覆盖程度变差,平均气膜冷却效率值降低,且不均匀系数不断增大,叶片压力面冷气分布越不均匀;受孔排冷气的动量叠加效应影响,叶片后缘冷气覆盖程度好,冷却效率明显高于前缘;在相同孔间距条件下,随着吹风比的增大,叶片压力面平均气膜冷却效率增大,不均匀系数值不断减小,叶片压力面冷却气体分布越均匀。