燃烧室新型迷宫复合冷却结构的设计与换热分析

燃烧室迷宫复合冷却结构是一种集冲击、对流换热和近似发散冷却于一身,兼具冲击冷却、对流换热冷却和席壁冷却结构优点的创新性冷却结构。本文在研究该结构冷却机理的基础上,从实用的角度出发,以某型现役发动机燃烧室改型设计为例,对瓦块式迷宫冷却结构进行设计,并进行换热分析和壁温计算。初步研究表明,该冷却结构的冷却性能优于全气膜冷却结构。

燃烧室新型迷宫复合冷却结构冷却比较

以燃烧室新型迷宫复合冷却结构为研究对象,取燃烧室新型迷宫复合冷却结构的一块瓦块,并在某型航空发动机原型气膜冷却火焰筒相同位置切出尺寸相等的1块,在流量、吹风比与实际流场相同的条件下分别对它们的三维流场和壁温进行了数值模拟,获得了其壁温及冷却效率的分布规律,并与原型火焰筒进行了对比。研究表明:相对某型航空发动机燃烧室原型火焰筒,该冷却结构的冷却效率高,流场分布均匀,温度梯度小。

燃烧室新型迷宫复合冷却结构二维壁温数值模拟

针对燃烧室新型迷宫复合冷却结构,采用数值模拟方法研究了该冷却结构的流场结构和内外壁温分布情况,获得了结构内部的流场及多层壁温的分布规律,并且计算了席壁层热侧面的压力分布情况。计算结果表明,迷宫复合冷却结构沿轴向的壁温梯度较全气膜冷却结构更加平缓,外侧壁最高温度较全气膜冷却结构低大约200 K左右。

迷宫复合冷却结构冷流入射角对压力损失的影响

针对燃烧室新型迷宫复合冷却结构,采用数值模拟方法研究了该冷却结构外侧壁上冷却孔开孔角度分别为-60°、-30°、+30°、+60°时内外流场的分布情况,获得了其流场及压力损失的分布规律。研究表明开孔角度为+30°时压力损失最低。

燃烧室新型迷宫复合冷却结构冷流入射角对冷却性能影响的数值研究

针对燃烧室新型迷宫复合冷却结构,以F luent商业软件为计算平台,采用数值模拟方法研究了该冷却结构外侧壁面上冷却孔开孔角度分别为-60°、-30°、+30°、+60°时内外壁温的分布情况,获得了其壁温及冷却效率的分布规律。研究表明,开孔角度为+30°时冷却效率最高。计算结果对于迷宫复合冷却结构的设计和冷却性能试验研究都具有一定的理论指导意义。

燃烧室新型迷宫复合冷却结构的壁温计算

燃烧室迷宫复合冷却结构是一种集冲击、对流换热和近似发散冷却于一身,结构合理,冷却效率高,具有创新性的新型冷却结构。在对其气膜冷却结构进行换热机理分析研究的基础上,建立了计算模型,获得了其沿程参数及多层壁温的分布规律。计算结果表明,该冷却结构可节省冷却空气量25%左右,并且能大大降低壁温梯度。因此,该冷却结构能较大地提高燃烧室的冷却效率,提高发动机性能,延长燃烧室的使用寿命。

阵列射流-扰流柱复合冷却结构换热和压降特性数值研究

为研究阵列射流-扰流柱耦合换热结构对热端部件综合冷却效果的影响,采用数值模拟方法研究了阵列射流-扰流柱复合冷却结构的流动换热特性,重点关注扰流柱相对于射流孔的布置方式(顺排和叉排)、扰流柱直径d_p相对于射流孔的直径d_j之比(d_p/d_j=0.5,1,2)的影响。为体现阵列射流-扰流柱复合冷却结构的导热-对流强耦合传热过程特征,引入了靶板加热侧当量对流换热系数的概念,并分别采用冲击靶面对流换热系数和靶板加热侧当量对流换热系数进行了综合性能的评价分析。研究结果表明,采用绕流柱顺排和叉排方式的冲击靶面对流换热相较于光滑靶板分别增加约30%和10%,而扰流柱相对于射流孔呈顺排方式的对流换热效果要优于叉排方式,同时,顺排方式的压力损失系数却低于叉排方式。至于扰流柱相对于射流孔的直径比的影响,基于冲击靶面和靶板加热侧对流换热系数的综合性能评价存在显著的差异。

燃烧室迷宫复合冷却结构流场数值研究

以燃烧室迷宫复合冷却结构为研究对象,采用数值模拟方法研究该冷却结构内部流场、温度的分布情况,获得其流场结构及冷却效率沿轴向的分布规律,并与采用气膜冷却的原型火焰筒进行了对比。研究表明:相对某型航空发动机燃烧室火焰筒,该冷却结构的冷却效率高,流场分布均匀。计算结果对于迷宫复合冷却结构的设计和冷却性能试验研究都具有一定的理论指导意义。

采用流体网络与气热耦合方法的涡轮叶片复合冷却结构改型设计

将流体网络方法应用于高性能涡轮叶片复合冷却结构的设计中,开发了气热耦合数值计算方法,并对其进行了可靠性验证.对采用复合冷却方式的某型高压动叶内部冷却结构进行基于流体网络分析的快速预测,评估其气动与传热特性.针对网络分析结果,提出3种改进措施,即调整不同冷却通道冷却气体流量、减小通道转弯结构流阻、以及调整局部高温区的内冷几何结构.通过全三维燃气-固体叶片-冷却气流耦合计算验证,指出改型设计降低了叶片表面最高温度,整体温度分布更加均匀,冷气入口参数匹配合理.结果表明,计算方法大大缩短了涡轮叶片复杂冷却结构的设计周期.

燃烧室迷宫复合冷却结构

随着航空技术的发展，设计出高性能、长寿命的发动机以适应未来战争及民用航空的需要已成为各国航空界科技人员共同努力的方向。近20多年来，由于材料性能的提高，特别是冷却技术的发展，使涡轮前燃气温度T4^＊有了突破性的提高。目前性能先进的燃气轮机的已高达1850K以上，增压比已高达25以上，再过20年，Tlc将高达30以上，Tlc可望高达2400K，

某燃气轮机涡轮叶片复合冷却结构优化设计

为了提高涡轮叶片设计效率,搭建了基于一维管网理论的iSIGHT优化设计平台,获得了叶片的优化结构,并对其进行三维仿真计算分析。研究表明:优化前后叶片的气动性能变化不大,总压损失仅在端壁处略有差别;优化后涡轮叶片的壁面温度分布更加均匀,壁面的最高温度降低,温度梯度减小,最大相对温差降低10%左右;在降低叶片热应力的同时相对冷却效率提高1.0%。

开孔形状对迷宫冷却结构冷却效率的影响

为了获得开孔形状对燃烧室新型迷宫复合冷却结构冷却效率的影响规律,采用数值模拟方法研究迷宫冷却结构的外侧壁冷却孔分别为簸箕形孔、圆锥形孔和圆柱形孔时内外壁温的分布情况,获得其壁温及冷却效率的分布规律,并在迷宫冷却结构三层壁的热侧面对它们的冷却效率进行对比。研究表明:在一定范围内,外侧壁冷却孔为带有扩张形出口的簸箕形孔和圆锥形孔时,迷宫冷却结构三层壁热侧面的冷却效率优于圆柱形孔的;并且席壁热侧面的冷却效率与外侧壁冷却孔的流量系数正相关。

气膜孔局部堵塞对叶片压力面冲击-扰流柱-气膜结构综合冷却效率的影响

运用数值模拟方法研究了气膜孔局部堵塞对叶片压力面上射流冲击-扰流柱-气膜结构综合冷却效率的影响,重点分析了堵塞位置和堵塞比的影响。研究结果表明:无论是气膜孔内无堵塞还是存在局部堵塞情形,随着吹风比增大,综合冷却效率均呈现逐渐增大的趋势;在低的吹风比下,气膜孔出口-尾缘局部堵塞的综合冷却效率略低于无堵塞气膜孔,而在气膜孔进口-前缘和气膜孔出口-前缘的局部堵塞则导致综合冷却效率有较为轻微的上升;在高吹风比下,位于气膜孔出口-前缘和气膜孔进口-前缘的局部堵塞能够抑制气膜射流与主流相互作用所形成的卵形涡,从而冷却效率下降较少,而气膜孔出口-尾缘的局部堵塞则导致综合冷却效率降低较多;堵塞比对壁面沿程综合冷却效率的影响呈现非单调的变化趋势,这是由于冲击-扰流柱-气膜整体式冷却结构的冷却效果取决于内部强化传热和外部气膜防护的多重作用机制。

基于瞬时流量法的涡轮叶片水流量测量研究

先进燃气轮机涡轮前温度远远超过涡轮叶片基体合金的使用温度,因此叶片内部设计了高效的复合冷却结构降低叶片壁温,叶片内部的冷气流通能力对其使用安全至关重要。本文介绍了叶片冷气流通能力的水流量测量方法,以及基于瞬态法的水流量测量设备。针对此设备开展了重复性、一致性和有效性校验,并通过水流量测量的方式获得新结构涡轮叶片各通道水流量值分布区间,结果具有很高的一致性,以此制定了叶片的水流量合格范围。