微尘沉积形貌对冲击气膜冷却结构换热特性影响的数值研究

带有微尘的空气进入航空发动机,极易在涡轮叶片内冷通道发生沉积。为探究微尘沉积形貌对涡轮叶片内冷通道换热特性的影响,选取冲击气膜冷却结构,基于微尘沉积实验结果,构造微尘沉积形貌,由锥状突起和环状突起组成,通过数值模拟获得不同射流雷诺数下冲击靶面局部努塞尔数Nu。研究结果表明,冲击靶面微尘沉积层的出现,将大幅降低浸润面积平均努塞尔数Nu_(w),而对映射面积平均努塞尔数Nu_(a)影响较小;冲击驻点周围的高换热区范围减少;相邻冲击孔中点附近的高换热区局部努塞尔数增大;此外,射流雷诺数的增大整体上提高了冲击靶面的换热强度。由于锥状突起和环状突起的扰动作用,壁面附近回流涡增多,使得冲击靶面大部分区域温度边界层厚度增加,因此换热性能降低。

等压差下冲击气膜/多斜孔复合冷却特性分析

针对某型斜流驻涡燃烧室的火焰筒连续壁面短、气膜叠加效果差等问题,构建了冲击气膜/多斜孔复合的冷却结构。在等压差条件下开展了多种冷却方案的综合冷效试验研究,同时结合数值仿真,获得了冷/热流压差、狭缝-多斜孔间距比、冲击间距比等参数对流动和综合冷效的影响规律。结果表明:与单一的多斜孔和冲击气膜结构相比,冲击气膜/多斜孔复合冷却方案有效解决了气膜初始段冷效不高、轴向壁温分布不均匀的问题,面积平均综合冷效相比纯多斜孔冷却提升约3.2%;增大冷/热流压差可显著提高综合冷效,狭缝-多斜孔间距比过大不利于下游气膜的叠加,而冲击间距比的减小能够明显提升冲击气膜段的综合冷效。

燃气透平叶片前缘冲击/气膜复合冷却的管网耦合方法研究

为方便燃气透平叶片前缘冲击/气膜复合冷却结构的设计与研发,提出了一种管网耦合计算方法。利用Python编制了叶片冷却结构设计的一维管网程序,并采用冲击冷却的实验结果对管网程序进行了验证;结合ANSYS CFX三维数值计算软件,搭建了用于叶片前缘冲击/气膜复合冷却的管网耦合设计计算平台,设计了用于计算内部流场的管网模型,并提出了管网耦合计算中的外部气膜冷却修正方法;通过与经湍流模型验证和网格无关性考核后的三维气热耦合计算结果进行对比分析,验证了管网耦合计算方法的可靠性。结果表明:所设计的管网模型对叶片内部冷却具有较好的模拟精度,可用于管网耦合过程中内部流场的计算;与三维气动计算相比,采用气膜冷却修正方法得到的平均气膜冷却效率的相对误差在2.18%~12.2%之间,验证了气膜冷却修正方法的可靠性;管网耦合计算结果与三维气热耦合计算结果吻合良好,两种方法计算的叶片壁面温度分布一致,但采用管网耦合方法可以大大节约计算时间,耗时为三维气热耦合计算的1/18。管网耦合计算方法可应用于叶片前缘冲击/气膜复合冷却的设计与研究。

冲击-气膜冷却单元结构砂尘沉积特性的数值研究

当砂尘颗粒进入航空发动机并沉积在涡轮叶片上时,会对其安全运行构成重大威胁。为探索涡轮叶片内部砂尘输运与沉积机理,利用离散单元法(CFD-DEM)对冲击气膜结构的砂尘沉积特性进行了数值模拟研究,验证了离散单元法用于砂尘沉积模拟的可行性,揭示了冲击靶面砂尘沉积的非稳态发展过程,阐明了斯托克斯数对冲击靶面砂尘沉积特性的影响机理。研究结果显示,涡轮叶片内的砂尘颗粒输运在冲击靶面形成锥状沉积层和带状沉积层;斯托克斯数增大会显著降低砂尘颗粒的随流性,增大流道内砂尘颗粒的体积分数,同时流体对砂尘颗粒的拖曳力有所减小,进而导致冲击靶面砂尘沉积质量增加。

单排冲击孔的冲击/气膜复合冷却结构火焰筒壁温分布

针对单排冲击孔的冲击/气膜复合冷却结构火焰筒建立一维壁温计算程序,对火焰筒一维壁温进行计算分析,通过示温漆测温法和热电偶测温法获得了高温高压下该火焰筒壁温分布规律和最高壁温值,并将试验结果与计算结果进行对比分析。结果表明:计算结果与试验结果吻合较好,该计算模型可有效评估冲击/气膜复合冷却结构火焰筒壁温分布趋势;将冲击孔布置在气膜段末端可有效降低该处壁温,从而控制最高壁温值;单位面积冷却气量对冷却效率有重要影响;火焰筒壁温分布较均匀,最高壁温低于材料长期许用工作温度。

透平动叶前缘冲击-气膜复合冷却与旋流-气膜复合冷却的热流耦合对比研究

为研究高效燃气透平叶片前缘冷却方式,针对GE-E 3高压透平第一级动叶前缘的冲击-气膜复合冷却结构进行了热流耦合数值研究,对比分析了冲击-气膜复合冷却和旋流-气膜复合冷却对动叶前缘复合冷却特性的影响。首先对5种湍流模型(标准k-ε模型、RNG k-ε模型、标准k-w模型、SST k-w模型、SST k-ωγ-Re_(θ)转捩模型)在求解冲击-气膜复合冷却时的精度进行了考核,然后对网格无关性进行了验证,在此基础上详细对比分析了冲击-气膜复合冷却和旋流-气膜复合冷却条件下透平动叶前缘的综合冷却效率、流场结构和叶片前缘材料内部温度分布,并研究了质量流量比、气膜孔展向角度对叶片前缘冲击-气膜复合冷却和旋流-气膜复合冷却综合冷却性能的影响。结果表明:在计算范围内,任意冷气质量流量比和气膜孔展向角度下旋流-气膜复合冷却结构叶片前缘两侧的整体平均综合冷却效率均比冲击-气膜复合冷却结构的整体平均综合冷却效率高6%以上;冲击-气膜复合冷却和旋流-气膜复合冷却结构的动叶前缘平均综合冷却效率均随着冷气质量流量比的增大而增大。

带横流非均匀冲击/气膜复合冷却特性试验研究

针对多层涡轮机匣内部典型阵列冲击/气膜,试验研究了横流出流和气膜出流作用对冲击冷却靶面换热系数的综合作用。重点分析了非均匀阵列冲击射流中,冲击雷诺数(6 750~28 500)、横流出流比(0~0.5)等参数对冲击靶板局部和平均努赛尔数的影响。试验中局部和平均努赛尔数均随着冲击雷诺数的增加而提高。当横流出流比增加后,局部和平均努赛尔数均减小。试验结果表明,气膜孔和冲击孔间距较小的工况下能够获得更好的局部换热强化效果。横流出流的存在,削弱冲击射流带来的局部强化冷却作用,并且随着出流比的增大,这种换热削弱程度也逐步变大。

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%。

各向异性复合材料平板冲击/气膜冷却特性数值研究

针对单向纤维增韧特点的复合材料多排孔平板开展冲击/气膜冷却特性数值模拟,分析了X,Y,Z三个方向导热系数对多排孔气膜冷却壁面温度场和综合冷却效率的影响。结果表明:(1)从整体上来看,随着X方向导热系数的增加,平板表面的综合冷却效率变化发生在X/D <35和X/D> 60范围内;在X/D <35范围内,综合冷却效率随着X方向导热系数的增加逐渐增大;在35 <X/D <60范围内,综合冷却效率几乎不变;在X/D> 60范围内,综合冷却效率随着X方向导热系数的增加逐渐减小。(2)随着Y方向导热系数的不断增大,沿程展向综合冷却效率几乎没有变化。(3)随着Z方向导热系数的不断增大,综合冷却效率逐渐升高,尤其是Z方向导热系数从4W/(m·K)增加到40W/(m·K),综合冷却效率增幅达到6%;随着Z方向导热系数的增大,综合冷却效率的增幅在逐渐减小。

气热参数对涡轮外环冲击-气膜冷却特性影响的实验研究

针对涡轮外环实际工况的复杂、多变特性,本文搭建了垂直进气、气热参数可调的涡轮外环冲击-气膜冷却实验台,借助红外测温技术,以正交实验法开展主流马赫数、吹风比和温比变化对涡轮外环冷却特性的关联性研究。结果发现:涡轮外环的面平均综合冷却效率随主流马赫数增大呈降低-升高-降低的变化趋势,Ma=0.5~0.8的研究范围内,Ma为0.6时涡轮外环具有最佳的综合冷却效果;提高吹风比以增大冷气流量和动压的方式增益涡轮外环内外侧的冲击、气膜冷却效果,吹风比每提高0.5,涡轮外环的面平均综合冷却效率提升1.46%~9.08%;温比由1.5变为1.6,涡轮外环的面平均综合冷却效率下降0.85%~7.95%。

喷管超声段壁面冷却热态试验研究

在高温条件下 ,对三种轴对称收 扩喷管超声段壁面排气引射冷却方案 (缝隙式气膜冷却、离散孔气膜冷却和冲击 气膜组合冷却 )进行了试验研究。得到了不同冷却方案的壁面压力分布、壁面温度分布和红外辐射特性 ,以及冷却气流量对这些性能的影响。结果表明 :采用排气引射冷却技术可以大幅度降低喷管的壁温和红外信号特征 ,其中缝隙式气膜冷却的应用前景最好 ,离散孔式气膜冷却值得深入研究 ,冲击

F119发动机的浮动壁火焰筒技术

PW公司F119发动机借鉴V2500等民用发动机的经验采用了浮动壁火焰筒燃烧室。浮动壁火焰筒由许多环形段和“浮动瓦片”组成的隔热环连接而成。具有改善火焰筒壁工作条件、延长火焰筒寿命、改善燃烧室温度分布等特点。之后。

双层板冲击-气膜复合冷却结构冷却性能的数值分析

高压燃气涡轮叶片采用内部冲击和外部气膜冷却相结合的复合冷却结构来提高叶片的冷却效率。本研究应用流热耦合的方法计算涡轮叶片中弦区的复合冷却效果,在不同的冲击孔与气膜孔间距l/d1以及不同的冲击孔长度h/d1复合冷却结构中,得到不同冷气流量条件下的冷却传热特性和流动阻力特性,建立了冷却效率与结构特征参数的关联式。结果表明:在冲击孔与气膜孔间距l/d1=12的复合冷却结构中,平板外表面气膜孔上下游的冷却效率均保持较高值;在冲击孔长度l/d1=1的复合冷却结构中,气膜孔上游区域的冷却效率较高。复合冷却结构中气膜孔下游的冷却效率不受冲击孔与气膜孔间距l与冲击孔长度h的影响。

气膜孔角度对动叶前缘冲击/气膜复合冷却的影响

本文针对GE-E3第一级动叶前缘的冲击/气膜复合冷却结构进行了热流耦合数值研究。采用标准k-ω湍流模型,分析了前缘气膜孔对称布置时,其角度对透平动叶前缘冲击/气膜复合冷却特性的影响;在五种冷气质量流量比(MFR=0.005,0.010,0.016,0.020,0.025)下,研究了气膜孔在不同角度(β=20°,25°,30°,40°,50°,60°)时的透平动叶前缘冷却换热效果。研究结果表明:在本文研究范围内,气膜孔角度越小,透平动叶前缘的平均综合冷却效率越高;随着冷气质量流量比增大,透平动叶前缘的平均综合冷却效率逐渐提高。

冷却结构参数对气膜/冲击复合结构冷却性能的影响研究

采用气热耦合数值计算方法,研究了带有气膜/冲击复合冷却平板结构的冷却性能,分析了三种气膜孔结构(单排圆柱孔、双排圆柱孔和单排扇形孔)、不同冲击孔径、冲击距离对综合冷却效率、冲击壁面换热特性以及气膜流场结构的影响。计算结果表明,内部冲击冷却对综合冷却效率的影响程度因外部气膜冷却结构不同而不同;冲击孔径不同不仅会影响内部冲击冷却效果,同时也对外部气膜冷却的流场结构和冷却效率有所影响。

涡轮叶片前缘冲击-气膜冷却流动传热实验

本文采用瞬态液晶热像技术对涡轮叶片的前缘冲击-气膜复合冷却结构内部传热性能进行了详细实验研究。通过优化改进瞬态液晶热像测试技术实现了对前缘曲率表面传热的可靠准确测量,获得了雷诺数20000~50000范围内内前缘冲击-气膜冷却内部详细传热分布和该复合冷却流阻特性。结果表明:冲击-气膜冷却的努塞尔数和压力损失均随雷诺数的增大而增大;冲击孔偏置使得内部表面平均努塞尔数最多提高9.4%,阻力系数下降约6.0%,且换热的均匀性得到显著提升。

带前缘冲击复杂叶片内冷通道换热特性实验

采用瞬态热色液晶方法对不同雷诺数下静止状态涡轮工作叶片带前缘冲击复杂蛇形通道的换热特性进行了考察,得到了不同位置吸、压力面的表面传热系数分布.实验结果表明:相同雷诺数下,叶片通道内表面带肋区域两肋间的局部换热强于光滑区域,相邻两肋间的传热系数沿流动方向呈单峰分布.随着雷诺数增加,内表面传热系数提高,在弯头下游的光滑区域离心作用加强,带来该处局部换热分布不均匀,而弯头下游肋的出现可以削弱这种效果.此外,通道的收缩扩张导致主流速度的变化也给局部换热的数值和分布带来了影响.

部件冷却对二元俯仰矢量排气系统红外特征抑制实验

实验测试了采用中心锥气膜冷却和喷管冲击-气膜冷却的二元俯仰(2D-CD)矢量排气系统,在几何偏转0°,10°,20°三种角度下,壁面温度和红外辐射特征分布,并与未冷却状态进行了对比分析。结果表明:前密后疏的气膜孔排布形式可有效减小热侧面高温区域大小。中心锥冷却时,密流比为0.8条件下壁面冷却效率达45%~63%,排气系统尾向±10°范围内红外辐射强度下降20%;但是由于冷气流注入,导致下游壁面(隔热屏、喷管)温度升高,在30°探测方向上红外辐射强度上升15%。喷管冷却时,收敛段(密流比为0.25)冷却效率达19%~33%,扩张段(密流比为0.65)冷却效率达75.5%~83.5%,侧壁段(密流比为0.65)冷却效率达78%~90%,导致在排气系统尾向15°~75°范围内,红外辐射强度下降30%以上,最大降幅达80%(几何偏转20°,宽边探测面30°探测方向)。

叶片前缘复合冷却结构的影响分析

本文利用FLUENT软件,针对导向叶片前缘冲击+扰流元+气膜出流的复合冷却结构开展数值研究,分析了扰流元、气膜出流方式等参数对流动和换热效果的影响规律。研究结果表明:前缘腔内扰流柱的加入加强了冲击气流的扰动,提高了强化换热效果,排数变化对冷却效果的影响不大,但流动损失随着扰流柱排数的增加而变大;相同条件下,鳍流气膜比喷淋气膜能更好地保护叶片,冷却效果好,而且随着吹风比的增大,前缘面的综合冷却效率显著提高。

某型斜流驻涡燃烧室火焰筒冷却结构优化研究

本文对某原型斜流驻涡燃烧室进行数值模拟,再将冲击/气膜+多斜孔复合冷却结构应用于该火焰筒进行优化。研究发现燃烧室内形成双涡结构:主涡内气流流速较低,燃气在主涡回流;副涡隔绝了主流和主涡,提高了火焰稳定性。原型火焰筒总冷气量占比为28.83%,且凹腔前壁存在局部高温区。冷却结构优化后,火焰筒的总冷气量减少到21.9%,冷气在凹腔前壁近壁区形成了有效的气膜保护,减弱了主涡内气流的掺混强度,壁温显著降低且分布更为均匀。