不同叶片尾缘结构冷却效率的试验研究

为了研究不同叶片尾缘结构对冷却效果的影响规律,设计了3种尾缘结构,并搭建了试验台,采用红外热像仪对叶片尾缘的绝热壁温进行测量。研究结果表明:(1)3种尾缘结构的冷却效率沿壁面的分布有很大差异,针对试验件Ⅰ,冷却效率存在最大值,且最大值出现的位置随着吹风比的增加而逐渐远离气膜出口;(2)试验件Ⅱ和Ⅲ的冷却效率沿壁面均呈现逐渐降低的趋势,但降低的规律二者又不相同;(3)在相同壁面位置,试验件Ⅲ的冷却效率最高,试验件Ⅰ的冷却效率最低,因此可以认为,试验件Ⅲ所示的尾缘结构更有利于对叶片尾缘的冷却。

不同叶片尾缘结构对流换热特性实验

为了研究不同叶片尾缘结构对对流换热系数的影响规律,设计了三种尾缘结构,并搭建了实验台,采用红外热像仪对叶片尾缘的壁温进行测量。研究结果表明,(1)三种尾缘结构的对流换热系数沿壁面的分布有很大差异,针对实验件I,对流换热系数存在一最大值,且最大值出现的位置随着吹风比的增加而逐渐远离气膜出口;(2)实验件II和III的对流换热系数沿壁面均呈现逐渐降低的趋势,但降低的规律二者又不相同;(3)在相同壁面位置,实验件III的对流换热系数最高,而实验件I的对流换热系数最低,因此可以认为,实验件III所示的尾缘结构更有利于对叶片尾缘更好的冷却。

微小通道内空气流动特性实验研究

研究了空气在不同压比条件下,在内径分别为0.4 mm和0.5 mm的微圆直管内的流动特性.研究表明空气流过微圆管的阻力系数是常规管道的4至5倍,且存在层流状态提前过渡到湍流状态的提前转捩现象.微圆管管径越小,管内流动压力损失越大.

小型航空发动机特点及换热问题综述

首先介绍了小型航空发动机尺寸小、结构紧凑、转子转速高、长度短、工作环境恶劣等特点,然后基于这些特点提出了小型航空发动机在换热领域中进气系统防冰、离心压气机换热、燃烧室换热、涡轮盘换热、涡轮叶片外表面换热和涡轮叶片内换热等独特问题,最后分析了中国小型航空发动机换热领域的现有技术水平和下一步发展方向。

涡轮叶片尾缘冷却特性数值研究

为了研究不同叶片尾缘结构对气膜冷却效果的影响规律,设计了三种尾缘结构,采用数值模拟的方法分别对其冷却效果进行了研究。研究结果表明:(1)三种尾缘结构的冷却效率沿壁面的分布有很大差异,针对模型Ⅰ,在小吹风比时,冷却效率沿尾缘壁面逐渐减小;而在大吹风比时,冷却效率呈现逐渐升高的趋势;(2)模型Ⅱ和模型Ⅲ的冷却效率沿壁面均呈现逐渐降低的趋势,但二者降低的规律又不相同;(3)在相同壁面位置,模型Ⅲ的冷却效率最高,模型Ⅰ的冷却效率最低,因此可以认为,模型Ⅲ所示的尾缘结构更有利于叶片尾缘的冷却。

泡状隔板对涡轮叶片内冷通道换热和流阻的影响

为增强涡轮叶片内部通道的换热、减小流动阻力,提出了一种新型的泡状隔板结构。通过实验与数值模拟相结合的方法,研究了等热流边界条件下泡状隔板结构的半径以及形状对通道换热和流阻特性的影响,并与直隔板进行对比,实验结果表明:在研究范围内,对称型泡状隔板结构能够大大减小通道流动阻力,随着泡状结构半径的增大,减阻效果增强;不对称型泡状隔板结构只在半径最大时能减小流动阻力;泡状结构对于换热的影响并不明显。实验结论可以为涡轮叶片内部冷却通道的优化设计提供理论依据。

随机误差对容腔瞬态换热试验影响分析及抑制

针对容腔瞬态换热试验中测试数据的随机误差被数据处理的差分过程放大的问题,定量分析了随机测试误差对换热特性的影响,并提出抑制方法。结果表明:容腔内壁面对流换热特性误差对瞬态温度随机误差最为敏感,导致换热特性试验结果不确定度高。将改进经验模态分解(EMD)算法应用于数据差分处理过程中可以有效抑制测试随机误差对换热特性的影响。在容腔充气过程中,采用误差抑制方法后,容腔壁面换热特性的最大误差从129.07%降到63.62%,时均误差从25.24%降到8.12%。

高阻塞比肋化通道对流换热特性实验研究

采用实验方法对高阻塞比肋化通道的对流换热特性进行了研究。实验的Re数为1400~4500,肋高(e)和通道水力直径(H)的比值(e/H)为0.2和0.33,肋间距(S)与肋高(e)的比值(S/e)为5,10和15。肋化通道中的肋有顺排和叉排两种排列形式。研究结果表明:(1)随着阻塞比和Re数的增加,对流换热系数逐渐增大,但相应的流动损失亦不断升高。(2)无论是顺排还是叉排肋化通道,在肋间距比分别为5,10和15三种情况下,间距比为10的对流换热系数和流阻损失均高于其它两种情况。(3)在实验几何参数范围内,顺排肋化通道的对流换热系数和流动压损均高于叉排通道。

高阻塞比肋化通道对流换热特性实验研究

为了降低涡轮叶片温度以保证其安全性,采用实验方法对高阻塞比肋化通道内流动换热特性进行了测量。针对顺排和叉排两种肋化通道考察了多个主要影响因素对换热特性的影响规律,研究表明:(1)对于高阻塞比肋化通道,当流体在层流区域流动时,肋片对流体在通道内部对流换热的强化作用要明显高于湍流状态;(2)无论是顺排还是叉排肋化通道,当肋间距比为10时,其对应着最大的对流换热系数和最大的流阻损失;(3)在实验几何参数范围内,顺排肋化通道的对流换热系数和流阻系数均高于叉排通道;(4)在高阻塞比肋化通道中,流阻特性的变化规律和流动状态的转变规律基本与水力光滑通道相同。

SiC_(f)/SiC复合材料涡轮导向叶片的抗热冲击性能研究

SiC_(f)/SiC复合材料是新型航空发动机热端部件的标志性材料,涡轮导叶在发动机中的服役环境最为苛刻,其中,抗热冲击性能是考核导叶的关键性能之一。本文以不同铺层方式的SiC_(f)/SiC复合材料涡轮导向叶片的叶身典型结构为研究对象,针对不同SiC纤维铺层方式对叶身结构的成型缺陷、水淬热震性能等的影响进行了探索研究,结果显示:采用单向铺层制备的叶身质量均匀、内部致密,但是抗热冲击性能最差,仅仅十几个循环后便彻底开裂;采用正交铺层得到的叶身内部存在少量的孔洞和分层缺陷,抗热冲击性能可达到30次以上;要获得较好的抗热冲击性能,叶身环向纤维比例应大于1/2。

熔融渗硅对不同类型C/C复合材料微观结构及性能的影响

选用了三种不同结构的C/C多孔体进行液硅熔渗,采用扫描电镜、X-射线衍射、微纳CT、压汞等方法表征了熔渗前后材料的微观形貌、物相组成及孔隙结构。结果表明,熔渗后材料显气孔率均小于2%,实现了较好的致密化,C/C多孔体熔渗过程中可以采用高残碳树脂裂解形成的树脂碳或化学气相沉积形成的裂解碳进行保护,熔渗后其弯曲强度分别提高到1.5倍与2.5倍,而纤维未被保护的C/C多孔体熔渗后弯曲强度降低41%。

界面对SiC_(f)/BN/SiC复合材料纤维顶出过程影响的有限元模拟

采用双线性traction-separation模型描述氮化硼(BN)界面层分离特性,根据文献提供的试验过程,基于内聚力单元建立了SiC_(f)/BN/SiC复合材料单纤维顶出的轴对称有限元分析模型,对不同界面层临界断裂能、极限强度和厚度情况下的纤维顶出过程进行了模拟。结果表明,模拟得到的纤维最大顶出载荷与试验数据相差1.74%,表明该模型的有效性;纤维最大顶出载荷随临界断裂能、界面层厚度的增大而增大,而极限强度对其影响不大;顶出过程的载荷位移曲线是否会出现平直段,取决于界面层断裂形变的大小。

SiC涂层对熔渗SiC_(f)/SiC复合材料高温服役性能的影响

采用化学气相沉积法(CVD)在熔渗制备的SiC_(f)/SiC复合材料表面沉积了SiC涂层,通过高温氧化试验研究了涂层对复合材料高温服役性能的影响,结果表明:在1200℃空气环境中氧化100 h后,无涂层试样的室温平均弯曲强度为424 MPa,弯曲强度下降了36.2%;而有涂层试样的室温平均弯曲强度为631 MPa,弯曲强度仅下降6.9%。SEM和XRD表征显示,无涂层试样中SiC纤维的氧化和BN界面层的退化失效是复合材料弯曲性能下降的重要原因,断口纤维拔出较少,呈脆性断裂特征;而有涂层试样表面氧化生成SiO_(2)氧化膜,其厚度增加过程服从抛物线规律。由于SiC层的封闭保护作用,复合材料试样受到的氧化作用较小,弯曲性能更好,断口纤维拔出明显。

主流湍流度对涡轮导向叶片气膜冷却特性影响的实验

采用基于窄带热色液晶的瞬态全表面传热测量技术,研究了主流湍流度对涡轮导向叶片吸力面圆柱形孔排气膜冷却特性的影响规律.结果表明:在实验工况范围内,主流湍流度从0.59%提高至6.85%,可以在气膜出流的上游区域促进气膜贴向壁面并扩大展向覆盖面积,从而改善气膜覆盖效果,但是在主流湍流度较大的工况下,气膜覆盖效果迅速变差;在气膜出流的下游区域,主流湍流度的提高使得气膜冷却效率逐渐降低;主流湍流度的增大,增强了无气膜冷却光滑叶片表面的对流换热;在气膜冷却条件下,气膜出流对叶片表面对流换热的增强效果随着主流湍流度的增大呈现出明显的区域性特点:表面传热系数比在上游区域是先增强后减弱;中游区域是逐渐减弱;下游区域则是逐渐增强.

基于热色液晶的异型气膜孔气膜分布特征的可视化实验

通过在气膜孔下游不同位置设置涂有热色液晶的黑色尼龙网,根据尼龙网上的彩色无量纲温度轮廓,对圆柱孔、水滴孔和簸箕孔在吹风比为0.5,1,2下的气膜分布状况进行可视化实验研究.结果表明:气膜孔沿主流流向的扩张会降低出流平均动量,较小程度地减弱了肾形对涡强度,使气膜的覆盖范围和气膜厚度都有所增大;展向扩张使出流平均动量降低的同时使其具有展向速度分量,明显降低了肾形对涡强度,显著增大气膜覆盖范围、降低气膜厚度,增强气膜的贴壁性;吹风比增大使气膜脱离壁面的趋势增强,降低气膜覆盖范围;排孔的相邻孔的出流会相互影响,有利于将气膜压向壁面,相比单孔来讲排孔的冷却效果和气膜覆盖效果更好.

涡轮导向器缘板安装缝隙泄漏特性数值模拟

针对某航空发动机涡轮导向器,采用数值模拟的方法研究了缘板安装缝隙泄漏流对叶栅通道流场结构及叶栅性能参数的影响,对比分析了不同泄漏流压力、缝隙宽度及缝隙相对位置条件下的泄漏量,及其对叶栅性能参数的影响规律.研究发现：在压差作用下冷气通过缘板安装缝隙进入燃气主流通道并在中段的位置形成螺旋涡系,对端壁二次流产生明显影响,其作用效果沿叶高方向逐渐降低,最大影响区域为44.44%叶高.计算结果表明：随着泄漏流压力的提高、缝隙宽度的增加、缝隙与发动机主轴方向夹角的变大,叶栅的能量损失系数和泄漏量都呈现出了单调增加的趋势.在研究的参数范围内,涡轮缘板安装缝隙导致的泄漏流可使叶栅的能量损失系数增加14%~62%.

不同湍流度下吹风比对涡轮导向叶片吸力面气膜冷却的影响

采用基于窄带热色液晶测量的瞬态全表面传热测量技术,研究了不同主流湍流度下的吹风比对涡轮导向叶片气膜冷却的影响,获得了叶片吸力面侧圆柱形孔排气膜冷却效率和表面传热系数比的全表面分布数据。结果表明:由于气膜射流与主流掺混的相互作用会随着主流湍流度的变化而变化,因此在主流湍流度不同时,吹风比对气膜冷却效率和表面传热系数比的影响规律会有所不同;主流湍流度较小时,吹风比的增大会显著减弱气膜覆盖效果与气膜冷却效率,但是在大湍流度下,吹风比的影响较弱,尤其是在远下游区域;相同的主流湍流度条件下,吹风比的增大会使得表面传热系数提高,但是在大湍流度下,换热增强效果较弱;相同吹风比下,高湍流度下的表面传热系数比相对较小。

单孔容腔瞬态充气换热的理论分析方法

换热对于容腔瞬态响应过程有显著影响,而目前缺乏分析容腔瞬态过程换热的通用方法,导致容腔瞬态响应模拟精度较差。针对这一现状,基于自由射流、冲击射流及外掠平板换热理论,提出了一种模拟非绝热单孔容腔瞬态充气过程换热的理论方法。应用该方法模拟了容腔压力和温度的瞬态响应过程,并与试验数据进行了对比。结果表明:该理论方法的模拟结果与试验数据吻合很好,压力最大相对误差不超过3%,温度最大相对误差不超过1%,验证了理论方法的可行性和准确性。而绝热模型的模拟结果与试验数据相比,压力和温度的最大相对误差分别可达12%和14%,等温模型的压力和温度的最大相对误差分别可达6%和7%,说明理论方法显著提高了容腔瞬态响应模拟精度。同时,理论分析方法不仅具有较强的通用性,还能够极大地降低分析容腔瞬态换热的成本,可以有效支撑空气系统非绝热容腔元件建模。

吹风比与湍流度对涡轮叶片压力面气膜冷却影响的实验研究

为研究不同吹风比下主流湍流度对涡轮导叶气膜冷却的影响,采用可进行全表面换热特性参数测量的瞬态液晶传热测量技术,获得了叶片压力面侧圆柱形孔排气膜绝热有效度和表面传热系数比的全表面分布数据。结果表明:吹风比的变化对气膜绝热有效度影响显著,随着吹风比的增大,相同主流湍流度下的气膜绝热有效度明显下降,然而吹风比的增大仅对气膜孔附近区域的对流传热系数比有一定的提升作用;随着主流的湍流度增加,强化了主流和二次流的掺混,导致二次流温度快速接近主流温度,气膜射流在叶片压力面的覆盖范围变窄,绝热气膜有效度降低;由于高湍流度下的光滑叶片对流传热系数显著提高,造成对流传热系数比随着主流湍流度的增大而减小。