槽缝射流对环形叶栅端壁气膜冷却性能影响的实验研究

为了研究槽缝射流对环形叶栅端壁气膜冷却性能的影响,建立了考虑槽缝射流的环形叶栅端壁气膜冷却实验平台。在不同质量流量比条件下,利用红外测温技术研究了槽缝结构形式(均匀槽缝、收缩槽缝)对不同射流角下端壁气膜冷却效果的影响。结果表明:提高槽缝射流的质量流量比,可增强对叶栅端壁的气膜冷却效果。与原始均匀槽缝相比,收缩槽缝由于提高了槽缝射流出口的动量,能够显著提高不同射流角下的端壁气膜冷却性能,且明显扩展了气膜覆盖范围。与45°射流角相比,90°射流角时由于前缘涡系增强,槽缝射流所产生的端壁气膜冷却效果有所减弱。90°射流角时,采用收缩槽缝所带来的气膜冷却性能提升比45°射流角时更显著。     

槽缝射流对静叶端壁冷却性能的影响

采用数值求解三维RANS方程和k-ω湍流模型,研究了槽缝射流对涡轮静叶端壁冷却性能的影响;通过对4种湍流模型数值结果与实验数据的比较,验证了标准k-ω湍流模型可以有效模拟静叶前缘端壁的冷却性能,揭示了槽缝宽度、入射段结构和端壁边界型线对静叶端壁冷却性能的影响规律。研究结果表明:在一定的槽缝射流流量下,减小槽缝宽度能够增大冷却射流的覆盖面积,提高静叶前缘气膜孔排附近区域的冷却效率;过渡相切圆弧的槽缝入射段结构具有最佳的静叶端壁冷却效果。端壁边界型线可改变节距方向上的槽缝冷却射流的流量分配,影响下游端壁的冷却效果,当端壁相对型线幅值为0.75、相位角为30°时,槽缝射流具有最佳的静叶端壁冷却效果。     

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。     

入射角度对气膜冷却效果影响的数值研究

采用RNGk-ε湍流模型对相同倾斜入射角不同扇形扩展角的气膜冷却单孔射流流场下游的流动和传热特性进行了详细的数值模拟,对相同吹风比下的冷却效率进行了比较分析。     

等离子体气动激励改善气膜冷却效率的数值研究

为了获得等离子体气动激励改善气膜冷却效率的机理及影响规律,采用数值模拟方法研究了等离子体气动激励电极相对位置x/L分别为0.3、0.4和0.5时不同吹风比下的流动过程和冷却效率的分布情况,并通过与常规气膜孔冷却结构形式进行的对比,以揭示等离子体气动激励改善气膜冷却效率的作用机理。研究表明:等离子体气动激励产生的等离子体流能诱导冷却气流偏转,使冷却气流更好地贴覆壁面,改善了气膜冷却效率;等离子体气动激励电极位置离气膜孔出口距离越近,等离子体流诱导改善气膜冷却效率的作用越好,并且随着吹风比的减小,其作用效果越明显。     

气膜孔分布对凹槽叶顶传热和冷却性能的影响

采用数值求解RANS方程的方法研究了典型燃气透平动叶凹槽叶顶的传热和气膜冷却性能,通过计算获得了3种叶顶间隙(1.31mm、1.97mm和3.29mm)、2种吹风比(1和2)、2种气膜孔分布(中弧线位置单排孔、中弧线+近压力面位置两排孔)条件下叶顶传热系数和气膜冷却有效度分布,并与实验结果进行了对比。结果表明:对于中弧线位置的单排气膜孔,冷却流可以对凹槽底部近压力面侧形成有效的冷却;随着吹风比的增大,凹槽底部靠近前缘吸力面侧的高传热系数区域减小,凹槽底部压力面侧的传热系数减小且气膜冷却有效度显著增大;随着叶顶间隙的增大,凹槽底部前缘吸力面侧的高传热系数区向压力面侧扩大,凹槽底部平均传热系数明显增大,凹槽底部近压力面侧和尾缘处的气膜冷却有效度减小。对于中弧线+近压力面两排气膜孔,近压力面气膜孔内的冷却流覆盖了凹槽肩壁和叶顶尾缘区域,且强化了凹槽底部靠近压力面侧的冷却性能;随着吹风比的增大,凹槽底部近压力面侧、肩壁和叶顶尾缘区域的传热系数明显减小,气膜冷却有效度明显增大;随着叶顶间隙的增大,凹槽底部吸力面侧高传热系数区域向压力面侧扩大,凹槽底部近压力面侧、肩壁和叶顶尾缘区域的传热系数显著增大,气膜冷却有效度减小。     

人射角度对气膜冷却效果影响的数值研究

采用RNG K-ε湍流模型对相同倾斜入射角不同扇形扩展角的气膜冷却单孔射流流场下游的流动和传热特性进行了详细的数值模拟,对相同吹风比下的冷却效率进行了比较分析.     

离散孔波纹板气膜冷却技术

对2 种不同开口规律的离散孔波纹板进行实验研究, 分析了来流气动参数、波纹板的开孔规律等几何参数对冷却效率的影响. 用热平衡法建立了离散孔波纹板气膜冷却对流换热模型, 用最小二乘法拟合了相应的关系式及关系曲线, 并将有关结果与离散孔平板进行对比, 得出了离散孔波纹板, 尤其是在其波峰跟波谷之间开有大孔的离散孔波纹板, 在其波峰跟波谷之间冷却效率较低, 在孔板的尾端冷却效率的增长比离散孔平板明显加快等一些有实用价值的结论.     

出流孔型对平板气膜冷却影响机理的研究

为了研究不同孔型对平板气膜冷却的影响,针对圆形,扇形,水滴形,收敛缝形四种气膜出流孔型的流动和传热特性进行了数值模拟。研究结果表明,圆形孔、扇形孔和水滴形孔气膜出口下游出现从中心向上抬升的反向旋转涡对,将主流燃气卷吸进来;收敛缝形孔在侧向的扩张型面使得气膜出流在展向的覆盖更为均匀,这有效地阻止了高温气体的侵入;在相同吹风比下,收敛缝形孔在气膜出口附近区域的平均绝热冷却效率则明显要高于其余三种孔,随着吹风比的增大,这种差距越发明显;孔型对对流换热系数增强比的影响区域仅局限在邻近气膜孔出口大约7倍气膜孔径的范围内。      

压力侧冷却流对凹槽叶顶气膜冷却与传热性能的影响

为了降低凹槽叶顶整体热负荷并提高高传热区的气膜冷却效率,研究了压力侧冷却射流对透平级凹槽叶顶冷却传热性能的影响。通过数值计算获得了2种压力侧气膜孔形状(圆孔、扩张孔)和5种压力侧射流角(20°～40°)条件下,透平级凹槽叶顶的传热系数和气膜冷却效率分布。研究表明：前缘压力侧冷却流进入凹槽,增强了凹槽底部的冷却效果;中部和尾缘压力侧冷却流对凹槽肩壁和叶顶尾缘进行了冷却,增强了叶顶高热负荷区域的冷却效果。在所研究的射流角范围内,射流角越小,凹槽叶顶的冷却效果越好。当采用扩张孔、射流角由20°增大到40°时,肩壁的面积平均传热系数增大了6%,面积平均气膜冷却效率减小了14.3%;叶顶压力侧的面积平均传热系数增大了36%,面积平均气膜冷却效率减小了37.2%。在小射流角条件下,扩张孔的叶顶和压力侧冷却效果优于圆孔。射流角为20°时,与圆孔相比：扩张孔使凹槽肩壁面积平均传热系数减小了2%,面积平均气膜冷却效率增大了5.9%;扩张孔使叶顶压力侧的面积平均传热系数减小了22.6%,面积平均气膜冷却效率增大了43.3%。     

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。     

凹槽状动叶顶部非定常气膜冷却性能的研究

采用数值求解三维(RANS)方程的方法,开展了燃气透平级在动静叶干涉下凹槽状动叶顶部定常和非定常气膜冷却性能的研究.定常计算结果表明:吹风比为1.0时的动叶顶部气膜冷却有效度优于吹风比为0.5和1.5的情况.在吹风比为1.5时,气膜冷却气流脱离槽底壁面并导致气膜冷却有效度降低.非定常计算结果表明:在动静干涉下凹槽状动叶顶部内流动和气膜冷却有效度具有高度的非定常特征;上游静叶尾迹和通道涡周期性地与动叶顶部间隙泄漏流相互作用,使得动叶顶部凹槽底部分离线发生变化,冷却气流覆盖槽底壁面的位置和面积也发生相应的改变,进而导致槽底和槽侧面的气膜冷却有效度发生变化;定常计算得到的凹槽底部气膜冷却有效度的预测值大于非定常计算的时均结果.     

离散孔板气膜冷却对流换热系数的计算

通过对几种不同的气膜冷却对流换热系数的计算方法的归纳总结，提出用相对气膜冷却换热系数的方法来计算气膜冷却时的对流换热.在对6种不同开口规律的离散孔平板进行了实验研究的基础上，用热平衡法建立了离散孔板气膜冷却对流换热模型，用最小二乘法拟合了相应的关系式及关系曲线，并分析了来流参数及离散孔板的孔径、开口率等几何参数对气膜冷却对流换热系数的影响.     

透平叶片双工质冷却特性的实验研究

针对双工质冷却叶片存在尾缘温度较高的问题,提出了一种带尾缘射流孔的双工质冷却叶片.在建立的3叶片叶栅热风洞实验平台上,实验研究了冷却介质进口参数对实验叶片表面温度和冷却效率分布的影响.结果表明:双工质综合冷却下,叶片尾缘温度大幅度下降,叶片表面温度分布较均匀;当冷却介质与主流燃气的温比Tc/Tg=0.65、压比Pc/Pg=1.3、流量比Mc/Mg=0.034时,叶片尾缘和前缘区域冷却效率分别约为50％和55％,中弦区域的冷却效率高达67％;与冷却介质进口参数相比,冷却方式和冷却结构对提高叶片冷却效率更有效.     

Film cooling with using the decomposition of an NH3 cooling stream as a chemical heat sink

The inlet temperatures of gas turbines are generally increasing over time,so conventional cooling methods are likely to approach their useful limits.It is therefore essential to investigate novel cooling methods.Based on the theory of heat transfer enhancement,a novel film cooling method for gas turbine blades using a chemical heat sink is proposed.In this method,the endothermic reaction of an NH 3 cooling stream heated by the main gas stream takes place,reducing the convective heat transfer between the mainstream and the blades.Therefore,film cooling effectiveness is improved.To test the feasibility of the proposed method,numerical simulations were conducted,using the classical flat plate with a 30 degree angled cylindrical hole(diameter,D).Film cooling effectiveness at different blowing ratios(M = 0.5,1.0,and 1.5) were computed and compared with the results of conventional cooling methods.The simulation results show that the proposed method can enhance film cooling effectiveness not only in the stream-wise direction,but also in the span-wise direction.The span-averaged film effectiveness is improved in the presence of a chemical heat sink,with the value of X/D(the ratio of downstream distance from the center of the film hole to the diameter of the film hole) increasing downstream of the film hole.The novel film cooling approach showed the best performance at M = 0.5.     

交错管束间湿空气-水蒸发冷却特性模拟

为研究交错管束间喷淋水-湿空气及管壁-喷淋水间传热传质特性,综合考虑了喷淋水在交错管束间运动及传热传质过程,采用基于DPM （discrete phase models）与WFM （wall film models）耦合的欧拉-拉格朗日方法,建立了交错管束间湿空气-水蒸发冷却传热传质特性分析模型.通过文献实验数据验证了模型的可靠性,最大误差仅为1.1%;模拟了运行参数对交错管束间湿空气-水传热传质性能的影响.结果表明,空气流量对交错管束间传热传质性能的影响要比喷淋水流量对其影响更加显著,因此可适当降低喷淋水流量提高循环水泵能效;干湿球温度升高会对交错管束间传热传质性能产生不利影响,但与干球温度相比,湿球温度对交错管束间传热传质影响更大;提高喷淋水温度可以改善喷淋水膜-管壁间的Nusselt数,但管束壁面平均温度也随之升高,从而降低冷水机组的性能.上述研究成果为交错管束热力设计计算提供依据.      

堵塞比对波纹板隔热屏冷却性能影响

以一种气膜冷却的波纹板隔热屏为研究对象,在保持波纹板隔热屏的波纹长度、波纹高度、以及开孔方式不变的情况下,通过在次流通道添加不同大小的堵塞物得到一系列不同堵塞比的几何模型,并基于Navier-Stokes方程组建立了流场三维数值计算模型,进行了流/热/固耦合数值模拟研究,获得了不同堵塞比对隔热屏壁面Nu、气膜冷却效果、冷流体热负荷、以及气膜孔流量系数的影响规律。结果表明：隔热屏热侧壁面Nu受堵塞比影响不大,冷侧壁面Nu在距离堵塞物较远处受堵塞比影响不大,在距离堵塞物较近处随堵塞比的增大而减小;气膜冷却效果在隔热屏主流背风侧靠近波谷处较高,在主流迎风侧靠近波峰处较低,隔热屏的综合平均冷却效果受堵塞比的影响不大;隔热屏单位面积冷流体热负荷随堵塞比增大而线性增大;气膜孔流量系数受堵塞比的影响不大,其最大值相比最小值变化了4.05%。