装配间隙泄漏流对透平端壁冷却影响的实验研究

为了研究叶栅装配间隙泄漏流对透平叶片端壁气膜冷却特性的影响,依据真实重型燃气透平叶片参数,搭建了端壁气膜冷却实验台。采用压力敏感漆技术测量了不同质量流量比和装配间隙角度下端壁的气膜冷却特性,使用压力扫描阀测量了主流进口雷诺数和叶片表面压力分布。通过数值计算模拟了实验叶片装配间隙的流动结构,得到了装配间隙冷气出流质量流量比及射流角度的气膜冷却特性。结果表明：在装配间隙冷气出流质量流量比为0.1%～1.0%的范围内,在相同射流角度下,增加装配间隙质量流量能够提升透平端壁气膜冷却有效度,并增大装配间隙下游出口气膜覆盖面积,冷气质量流量比为1.0%时端壁气膜冷却有效度达到最高。由于叶片端壁表面的压力梯度导致装配间隙出流集中在流道中部及出口位置。在研究的60°～90°射流角范围内,在相同质量流量比下,减小装配间隙射流角度能够有效提升端壁气膜冷却有效度,75°射流角相较于90°垂直入射条件下的气膜冷却有效度增加接近一倍;射流角为60°时端壁气膜冷却有效度达到最高。     

间隙射流对端壁气膜冷却性能影响的实验研究

为了研究叶栅上游间隙射流对扇形叶栅端壁气膜冷却性能的影响,自主设计并搭建了考虑环形叶栅效应的扇形叶栅试验系统,利用红外测温技术,实验研究了上游间隙射流对扇形叶栅端壁气膜冷却性能的影响,测量了不同间隙射流质量流量比和不同间隙射流角度条件下扇形叶栅端壁气膜有效度。实验结果表明:间隙射流能够对端壁前部区域形成一定的冷却保护,端壁二次流结构对于冷却气膜具有较大的影响,使得冷却气膜主要集中在叶栅通道前部端壁区域且靠近叶片吸力面的区域,而对于叶栅通道靠近叶片压力面侧几乎没有保护作用;随着间隙射流质量流量比的增加,端壁气膜有效度提高,气膜分布范围增大,减小间隙射流角度可有效提高冷却射流对端壁的气膜冷却作用;射流质量流量比为1.0%、1.5%、2.0%时,间隙射流角度由45°增加至90°使端壁气膜有效度最大降低了17%、15%和13%。     

冲击孔偏置对静叶前缘和吸力面冷却性能的影响

采用流热固耦合方法数值研究了真实叶片材料热物性条件下叶片前缘冲击腔室内冷却射流的流动及换热特性。分析了冲击孔的偏置距离(2.5 mm、5.0 mm、7.5 mm和10.0 mm)及冲击冷气与主流的质量流量比(1.0%、1.5%、2.0%、2.5%和3.0%)对前缘面复合冷却性能、冲击靶面对流换热性能及吸力面气膜冷却性能的影响。研究表明：冲击孔偏置结构会对叶片前缘区域的冷却产生显著的影响,偏置距离较小时会削弱前缘面复合冷却性能及靶面对流换热性能,而偏置距离较大时能同时强化前缘面复合冷却性能及靶面对流换热性能,尤其是对靶面对流换热性能的提高效果非常显著。4个冲击孔偏置结构中,偏置距离最大的结构相较于无偏置结构的靶面平均努塞尔数最多提高了约33.97%;吸力面的气膜冷却性能大体上与冲击孔到吸力面气膜孔的周向距离呈现出负相关性,冲击孔距吸力面气膜孔越远,吸力面的气膜冷却性能越弱;相较于无偏置结构,冲击孔偏近及偏离气膜孔布置时吸力面平均气膜有效度最多分别提高了约5.56%和降低了约10.96%;当冲击冷气的质量流量比较小时,增大冷气的质量流量比能有效提高叶片前缘冷却性能。前缘面平均综合冷却效率、...     

尾迹影响下有复合角扇形孔涡轮叶片表面的气膜冷却效率实验研究

为研究尾迹影响下带有复合角扇形孔的涡轮叶片的气膜冷却效率变化规律,利用压敏漆技术获得了不同质量流量比、不同尾迹斯特劳哈尔数(0、0.12、0.36)下的涡轮叶片表面气膜冷却效率分布。研究结果表明:气膜孔复合角有利于射流的横向扩散,孔下游射流的覆盖面积较大;在无尾迹条件下,质量流量比的增加使得带有复合角气膜孔的涡轮叶片前缘与压力面大部分区域的气膜冷却效率提高,使得吸力面气膜冷却效率下降,吸力面靠近叶顶的低气膜冷却效率区域面积变小;在尾迹条件下,质量流量比的增加使得前缘、压力面以及吸力面靠近尾缘区域的气膜冷却效率提高,使得吸力面其他区域的气膜冷却效率降低;尾迹会使叶片表面气膜冷却效率显著降低,在尾迹斯特劳哈尔数为0.36的条件下,小质量流量比时叶片表面气膜冷却效率的平均降幅为35%,大质量流量比时平均降幅为26%,气膜冷却效率的下降幅度减小。     

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。     

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。     

透平叶片前缘双排交错孔气膜冷却数值模拟

为了解前缘冷气喷射对透平叶片的气膜冷却特性,对圆柱形前缘双排交错孔气膜冷却进行了全三维N-S方程数值模拟,第一排孔射流角度分别为15°、20°和25°,第二排孔均为20°。计算域网格采用FNM(full non-matched)形式的多块结构化网格。研究了射流与主流的流动机理,分析了不同吹风比下不同孔排结构对壁面冷却效率的影响。计算结果表明:第一排射流角度的变化对前缘绝热效率分布的影响非常明显,壁面气膜冷却效率随吹风比的增大而升高。     

二次冲击对静叶前缘冷却性能影响的对比研究

为了进一步优化现代先进燃机高压涡轮静叶前缘区域的冷却性能,基于NASA C3X叶型建立了上游腔室采用冲击冷却与气膜冷却组合的阵列冲击-气膜复合冷却静叶模型,采用流固共轭传热方法数值研究了涡轮静叶内部冷气的流动和传热特性,针对常用的冷气流量范围分析了引入二次冲击结构对静叶前缘冷却性能的影响。结果表明：二次冲击对靶面对流换热影响较小,但能有效提高冷气在整个流路中的对流换热强度,还能平衡不同区域气膜孔排的冷气流量分配。二次冲击有效降低了气膜孔附近的固体温度,尤其是对于气膜孔较密集的前缘。同时,在固体导热的作用下,气膜孔附近的低温区会影响到无气膜孔区域,降低整个固体域的温度。二次冲击显著改善了叶片上游表面尤其是前缘的复合冷却性能,其中,对上游表面的优化率大体上随冷气流量的增大先升高后降低,在质量流量比M为1.25%时最高,约为4.44%;对前缘的优化率大体上随冷气流量的增大先降低后升高,在M为1.50%时最低,约为9.66%,在M为2.25%时最高,约为11.70%。     

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%。     

上游台阶结构对跨声速透平叶栅端壁气膜冷却性能的影响

为了评估上游台阶结构对端壁气膜冷却性能的影响,采用商用CFD软件ANSYS FLUENT数值研究了上游后向台阶结构对跨声速透平叶栅端壁上游双排离散气膜孔冷却效率的影响。模拟某工业燃气透平真实运行工况(进口湍流度T_u=16%、出口马赫数Ma_(ex)=0.85、出口雷诺数Re_(ex)=1.5×10~6),采用基于两类热边界条件模型的壁面换热系数和绝热冷却效率数值预测方法,计算分析了在设计工况吹风比为2.5下,具有不同上游台阶高度(ΔH=0,3,6.78,10mm)的跨声速透平叶栅端壁热负荷分布、气膜冷却效率分布和近端壁二次流场结构。研究结果表明:上游台阶结构改变了近端壁流场,在台阶下游形成强度较大的空腔涡等复杂涡系结构,显著影响了端壁的热负荷和冷却气膜覆盖分布;随上游台阶高度的增加,叶栅通道上游端壁传热逐渐增强,形成显著的条状高传热区;端壁冷却效率呈现先增大后减小的变化趋势,在ΔH=6.78mm时,端壁气膜覆盖效果最好;在ΔH=10mm时,上游离散孔冷却射流被限制在近吸力面三角区域,端壁冷却效率低于无进口台阶结构。     

主流湍流度对涡轮导叶压力面扩张型气膜孔冷却特性的影响

为了研究主流湍流度对涡轮导叶压力面扩张型气膜孔冷却特性的影响,在高亚声速风洞中进行了实验,通过热电偶测得了气膜孔排下游的气膜冷却效率和换热系数,叶栅进口雷诺数的范围为3.0×105～9.0×105,出口马赫数为0.8。两排单排扩张型气膜孔分别位于压力面25%和70%的相对弧长处,高低湍流度分别为14.7%和1.3%。实验结果表明:对于孔排1,随着吹风比的增大,气膜冷却效率在低湍流度时呈现先增后减的特征,而在高湍流度时单调提升;在相同吹风比时,主流湍流度升高增强了主流和冷气的掺混,加快了冷气的耗散从而降低了气膜冷却效率。对于孔排2,主流湍流度升高在小吹风比时使气膜冷却效率降低,而在大吹风比时抑制了冷气脱离壁面从而提高了气膜冷却效率。吹风比增大显著增强了孔排1下游的换热,而对孔排2影响较小;主流湍流度升高显著提高了孔排1和孔排2下游的换热系数比。整体来看,主流湍流度升高降低了孔排1和孔排2下游的气膜冷却效果。     

气膜孔几何位置对旋流冷却流动与传热特性的影响

为了研究气膜孔几何位置对旋流冷却特性的影响,建立了带有气膜孔的旋流腔冷却结构,利用流体动力学软件ANSYS CFX对比分析了有无气膜孔情况下旋流冷却性能的差异,并研究了气膜孔轴宽比和周向角度对旋流冷却流动和换热特性的影响。研究结果表明:气膜孔对旋流腔靶面旋流冷气运动产生强烈扰动,使气膜孔上游冷气流速增加,下游冷气流速降低;气膜孔使主流流线向斜下方偏转,增强了整体换热强度且整体压力分布趋于均匀;轴宽比从0.3增加到0.7,气膜孔对整体流动和传热影响不大,轴宽比增加到0.9,主流小旋涡消失且靶面Nu分布更均匀;周向角度小于0°时,随着周向角度的增加,气膜孔上游高速区增大,周向角度超过0°后,高速区随周向角度增长不明显;随着周向角度增加,周向平均压力系数增加,气膜孔附近高Nu区扩大,靶面高Nu区分布更均匀。     

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.     

槽缝射流旋流比和密度比对涡轮端壁冷却和吸力面泛冷却性能的影响

针对上游槽缝射流对涡轮端壁冷却性能影响的问题,同时考虑到涡轮端壁的气膜孔射流和叶栅通道间隙泄漏流同样对端壁及叶片吸力面存在冷却效果,采用数值求解三维Reynolds-Averaged Navier-Stokes(RANS)方程和SST k-ω湍流模型的方法,研究了带预旋上游槽缝射流0.4、0.6、0.8和1.0这4种旋流比和1.0、1.5和2.0这3种密度比对端壁冷却及叶片吸力面泛冷却(二次冷却)性能的影响特性。结果表明:密度比较小时,减小旋流比导致端壁冷却效果降低;密度比较大时,端壁冷却效果随旋流比减小先降低后升高,最低值出现在旋流比为0.8。随密度比的增加,冷却射流对端壁的冷却效果不断降低,冷却效率最低值随旋流比的增加向下游移动。随旋流比增大,槽缝射流对叶片吸力面泛冷却覆盖面积逐渐减小,位置向下游及靠近端壁的方向发展,泛冷却效率不断降低。随冷却射流密度比的增加,吸力面泛冷却面积显著减小,且向靠近端壁的方向移动,泛冷却效率降低。     

气膜孔参数对气动及叶片温度的影响

为了设计一套满足传热及气动要求的涡轮叶片表面气膜孔方案,以某型涡轮第一级导叶为研究对象,对两种气膜冷却结构进行参数化设计。对冷却效果进行数值模拟,研究不同的气膜冷却方式在涡轮中对气动与叶片表面温度分布的影响。将两种冷却方式计算结果进行对比分析,结果表明：在相同边界条件下, 六列气膜孔结构可以减弱冷气射流冲量,减小与主流掺混时的损失,气动效率较四列气膜孔提高0.3%;六列气膜孔可增大冷气覆盖面积,同时有效防止射流穿透附面层进入主流,降低附面层扰动强度,削弱对上游气膜的影响,叶片表面无量纲温度降低了11.68%。     

高主流湍流度下倾斜角对圆柱孔气膜冷却特性影响的实验研究

为了研究高湍流度下圆柱孔流向倾斜角对气膜冷却特性的影响,在主流湍流度为11.82%的工况下,采用瞬态热色液晶测量技术对倾斜角为30°、60°的气膜孔冷却特性进行了研究,并与低湍流度工况下的结果进行对比。实验结果表明:气膜孔倾斜角增大会导致气膜冷却效率下降;主流湍流度增大会提高上游冷却效率,降低下游冷却效率,冷却效率展向分布更加均匀。吹风比的增加导致各倾斜角气膜孔换热系数比显著增加,在小吹风比条件下,换热系数比沿流向时降低,而大吹风比条件下换热系数比呈现先上升后下降的分布;气膜孔倾斜角增大会在整体上强化壁面对流换热强度,主流湍流度增加导致换热系数比明显减小。随着吹风比的增加,下游区域的主流湍流度导致两种倾斜角气膜孔的冷却效率和换热系数比差距增大,在上游区域主流湍流度的影响较为复杂。     

透平叶片近前缘端壁处换热性能的研究

采用计算流体动力学软件ANSYS CFX11.0、以NASA跨声速透平第一级动叶为研究对象,对带气膜冷却孔的叶栅近前缘端壁区域的流动和换热特性进行了研究,计算获得了3种气膜孔分布条件下,吹风比分别为0.3、0.5、0.7以及孔径分别为1mm、1.5mm时叶栅端壁处的流场结构和斯坦顿数分布。计算结果表明:气膜孔的数目及分布对端壁换热性能和换热均匀性有显著影响,减小孔间距与孔径的比值可以降低前缘端壁的换热系数、提高端壁换热的均匀性;吹风比对冷却流的作用范围和贴壁性有很大影响,所研究的3种吹风比中,吹风比为0.5时壁面换热系数最小,吹风比为0.7时换热系数最大;当吹风比保持0.5不变且气膜孔的直径由1mm增大到1.5mm时,冷却流在端壁上影响的距离增加,相邻冷却流之间区域的换热强度降低。该结果可为透平动叶端壁换热特性的改善和气膜冷却特性的提高提供参考。     

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。     

冲击孔位置对涡轮叶片冲击/气膜复合冷却特性影响的实验研究

为研究冲击孔位置对空冷涡轮叶片冲击/气膜复合冷却特性的影响,选择4种具有不同冷却结构的涡轮叶片开展了综合换热实验。实验叶片由低导热系数的树脂材料制成,分别为仅有气膜冷却结构的叶片0、具有正向冲击孔的叶片1、具有偏置冲击孔的叶片2以及具有交错偏置冲击孔的叶片3。使用红外热像仪拍摄得到实验叶片表面温度分布。实验结果表明,涡轮叶片综合换热特性由内部冷却和外部冷却共同决定。在吹风比较大时,射流冲击强化了冷却剂和叶片内壁面之间的换热,导致具有冲击冷却结构的叶片1、2、3相对于叶片0综合冷却效率提升了3.1%～6.7%。其中,因为冲击孔偏置,叶片2和3的冲击强化换热区域相对独立于叶片表面气膜覆盖区域,所以叶片2和3的综合冷却效率分布更为均匀,且大于叶片1。叶片0仅有气膜冷却结构,紧邻气膜孔出流位置冷却剂动能较大,在气膜孔出口下游冷却剂再贴壁形成热防护,使得距离气膜孔较远的区域冷却效率升高。在吹风比较小时：仅有正向冲击的叶片1相对于叶片0的综合冷却效率有所提高;由于偏置冲击消耗了更多了冷却剂动能,叶片2和3的综合冷却效率相对于叶片0明显降低,当吹风比为0.2时,二者分别下降了6.7%和11.6%。     

全气膜冷却叶片表面换热系数和冷却效率研究

为了研究全气膜冷却涡轮导叶叶片的换热特性,采用瞬态液晶技术获得了叶片全表面的高分辨率换热系数和冷却效率.实验在三叶片两通道放大模型中完成,叶栅进口雷诺数是1.0×105. 叶片前缘有8排复合角孔,压力面有21排轴向角孔,吸力面有24排轴向角孔.气膜孔排由2个供气腔供气,前腔二次流与主流的质量流量比为4.56％,后腔为4.67％.结果表明:受叶栅通道涡作用,气膜出流在吸力面呈聚敛状,在压力面则呈发散状.气膜出流受气膜孔角度影响,气膜孔下游的换热系数和冷却效率都较高.叶片前缘受到冲击,换热强,冷却效率低;叶片吸力面冷却效率维持在0.4左右,压力面维持在0.35左右.该全气膜冷却叶片气膜覆盖效果较好,冷却效率和换热系数分布均匀,是一种较好的冷却结构.