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%。

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。

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。

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。

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)。