超声速气流中激波对气膜冷却流动的干涉特性研究

激波会影响气膜冷却流场的流动特征,引起流场结构和冷却效率的变化。为探究激波干涉对气膜冷却的影响,本文采用数值模拟的方法对不同射流角度和不同吹风比工况下的超声速平板气膜冷却开展研究。结果表明:气膜冷却效率随吹风比的增大呈现先增大后减小的趋势,随着射流角度的增大,气膜在孔附近的展向覆盖效果逐渐提高,但冷却效率沿流向衰减加快;采用无量纲坐标系分析激波干涉对气膜流动的影响,获得激波与气膜冷却流动干涉在不同工况下对冷却效率的一致性影响规律,激波会造成冷却效率的明显降低;激波干涉下冷气容易产生三维流动分离,随着射流角度的增大,分离区极限流线的拓扑结构更加复杂。进一步引入均匀性指标参数分析激波干涉对气膜冷却效率的影响,不同射流角度下,激波干涉区域气膜冷却效率的均匀性随吹风比的增加呈先增大后减小的趋势。

吹风比和肋板对叶片尾缘开缝气膜冷却特性的影响

为了阐明吹风比和肋板对燃气透平叶片尾缘开缝区域气膜冷却性能的影响,采用延迟-分离涡模拟方法求解了尾缘开缝模型的流量系数、非定常流场结构和气膜冷却效率,采用实验数据考核了延迟-分离涡模拟方法对流量系数和气膜冷却效率预测的有效性,获得了使尾缘开缝壁面气膜冷却效率最佳吹风比。结果表明:流量系数随吹风比增加而增大,但吹风比大于0.65后,流量系数几乎不受吹风比影响;在吹风比0.20~0.65范围内,尾缘开缝壁面气膜冷却效率随吹风比增加而增加;在吹风比0.80~1.25范围内,冷热气掺混剧烈,冷却效率略微下降;肋板结构增加了冷气通道的阻塞效应,并限制了开缝区域冷气旋涡的发展,导致展向涡提前扭曲、变形和分解;相对于无肋板结构,带肋尾缘开缝结构的流量系数下降了约5%,气膜冷却性能提升了约10.8%。开缝下游的旋涡脱落和冷热气流间的掺混是影响开缝壁面冷却效率的主要原因,综合考虑冷气消耗和气膜冷却效率,无肋板时最佳吹风比为0.65,带肋板时最佳吹风比为0.5。

基于Bezier曲线的气膜冷却孔出口孔形优化

提出一种基于Bezier曲线的气膜冷却孔出口参数化构型方法,通过调整Bezier曲线的控制点,改变气膜冷却孔的出口形状。采用拉丁超立方抽样(LHS)和数值模拟的方法,获得大量不同气膜冷却孔出口形状下的气膜冷却效果,结合径向基函数神经网络(RBF-NN)所构建的预测模型和遗传算法(GA)进行气膜冷却孔出口形状优化。结果表明:优化后的气膜冷却孔可以有效抑制肾形涡对(CVP)的强度与大小,减小冷却气流与热主流的掺混损失;优化后的气膜冷却孔具有扩张的冷却通道,降低了冷却气流出口法向上的动量,有效抑制了冷却气流对于热主流的穿透,提升了气膜冷却效率;在吹风比M=0.91的情况下,最优孔形的气膜冷却效率较圆孔和扇形孔分别提升了40.48%和17.82%。

等离子体激励下的凹槽叶顶气膜冷却性能

通过将等离子体激励力耦合至雷诺时均NS方程组的动量方程中,数值研究了等离子体控制下的燃气透平凹槽叶顶的气膜冷却性能,分析等离子体激励强度、激励频率对凹槽叶顶气膜冷却效率和总压损失的影响,提出了一种改善凹槽底部冷却气膜覆盖的非均匀等离子体控制策略,阐明了等离子体激励对叶顶间隙内冷热气流的作用机制。研究结果表明:凹槽下游等离子体激励可有效抑制上游冷气对下游冷气的卷吸,且抑制作用随着激励强度、激励频率的增加而增强。激励强度较小时,上游冷气未对下游冷气造成卷吸,尾缘处气膜冷却性能较好;随着激励强度增大,尾缘冷气被上游冷气吹离凹槽底部,但中部气膜冷却性能较好。激励强度Ds为204时,凹槽底部平均气膜冷却效率相比无激励时提升了25.11%。激励频率与激励强度对叶顶气膜冷却性能的影响规律类似。当激励强度Ds为156,激励频率Dθ为6.25和Dθ为8.75时,凹槽底部平均气膜冷却效率相比于无激励时分别提升了28.71%和29.27%。施加非均匀等离子体控制时,凹槽底部平均气膜冷却效率比无激励时提升了39.12%。施加等离子体激励后,叶栅总压损失几乎不变。

涡轮动叶肋条布局的凹槽状叶顶气膜冷却效率和气热性能研究

针对涡轮动叶凹槽状叶顶近压力侧气膜冷却设计的结构,设计了2条全肋条、1条全肋条和1条压力侧尾缘半肋条与1条吸力侧尾缘半肋条的3种凹槽状叶顶肋条布局设计。采用数值求解三维Reynolds-Averaged Navier-Stokes(RANS)方程和标准k-ω湍流模型研究了肋条布局的凹槽状叶顶气膜冷却效率和气热性能,研究了4种吹风比下2条全肋条布局的凹槽状叶顶的传热冷却性能。在吹风比为1.0时,对比分析了典型凹槽状叶顶和3种肋条布局凹槽状叶顶的气动传热特性和气膜冷却效率。结果表明:数值预测的叶顶传热系数分布与实验测量结果吻合良好,验证了数值方法的可靠性;吹风比1.0时,全肋条凹槽状叶顶具有最高的平均气膜冷却效率;全肋条布局凹槽状叶顶具有最高的平均气膜冷却效率;相比于典型凹槽状叶顶,全肋条布局凹槽状叶顶能够使气膜冷却效率提高2.2%;压力侧半肋条布局的凹槽状叶顶具有最低的平均传热系数和总压损失系数;肋条布局通过调控叶顶涡系与冷气的迁移路径而显著改变了凹槽状叶顶的流场结构,进而影响气热性能和气膜冷却效率;全肋条布局的动叶凹槽状叶顶具有最佳的综合气热性能和气膜冷却效率。

燃气轮机透平动叶横流带肋通道中气膜冷却研究进展

【目的】燃气轮机透平进口温度已经远超叶片材料的许用温度,发展更加高效的透平冷却技术,尤其是气膜冷却技术至关重要。在透平动叶中部区域的气膜冷却通常由横流带肋通道供应,因此对近年来横流带肋通道中气膜冷却研究进展进行了综述。【方法】介绍了不同冷气供应方式下气膜冷却性能的差异,归纳了肋片角度、肋片形式、气膜孔与肋片的相对位置、横流通道进口雷诺数对流动和气膜冷却性能的影响,总结了针对横流带肋冷气条件下气膜孔型设计的研究进展。【结果】横流带肋通道内部冷却结构和横流通道进口雷诺数对气膜冷却性能影响显著,横流进气改变了孔出口下游的冷却效率分布,同时孔进口处流动受气膜孔与肋片的相对位置及雷诺数变化的影响。展向非对称气膜孔型和对横流进气不敏感的气膜孔型可有效提升气膜冷却性能。【结论】为进一步推动横流带肋通道气膜冷却技术的发展,建议深入研究各影响因素与气膜冷却性能之间的关系,并对适用于横流带肋进气的专用气膜孔型进行优化设计。

跨音速流动中涡轮动叶叶顶的气膜冷却特性分析

为了掌握跨音速流动中涡轮动叶叶顶气膜冷却特性,采用压敏漆测试技术来研究叶顶间隙高度和质量流量比对叶顶气膜冷却特性的影响规律。研究结果表明:在小质量流量比条件下,增加叶顶间隙高度能够有效改善叶顶中弦区域的气膜覆盖,然而当质量流量较大时,叶顶间隙高度变化对叶顶中弦区域的气膜冷却效率分布影响并不明显;在小叶顶间隙高度条件下,随着质量流量比增加,叶顶中弦区域冷气覆盖效果逐渐变差,在大叶顶间隙高度条件下,仅当质量流量比从0.1%+0.05%增加到0.14%+0.07%时,叶顶中弦区域的冷气覆盖效果才有所改善。

陶瓷基复合材料编织结构参数对气膜冷却效果影响研究

针对陶瓷基复合材料(CMC材料)在航空发动机高温部件中应用时的冷却需求,考虑到CMC材料内部非均质非均匀结构和热物性特征与均质金属材料的巨大差异,探究了CMC材料编织结构几何参数对气膜综合冷却效果的影响,研究中以三维五向编织CMC材料为例,建立了反映材料内部细观编织结构的平板气膜全尺寸计算模型,从细观纱线尺度引入各组分热物性参数,计算分析了不同编织角度和纤维束截面尺寸等几何特征参数对气膜综合冷效的影响规律。研究结果表明,纤维束由于导热系数相对较高成为平板内部的主要热量传输通道,编织角发生变化时纤维束方向也随之改变,进而影响材料内部热量传输通道及整体各向异性等效导热系数。本文计算工况下,在气膜孔下游0~10D (D为气膜孔直径)区域,编织角度为40°时气膜综合冷效相对较高;在远离气膜孔区域,气膜板的冷却效果随着编织角度的增大而减弱。纤维束截面尺寸的改变对气膜综合冷效的影响较小,但是随着纤维束截面尺寸的增加,平板内部温度更加均匀。

基于机器学习的全覆盖气膜冷却性能预测

以全覆盖气膜冷却结构为研究对象,基于机器学习方法实现了温度场和热应力场的精细化和快速化预测。遴选孔倾斜角、孔复合角以及温比、吹风比为机器学习模型输入,基于拉丁超立方抽样和CFD仿真方法建立机器学习所需的学习样本;针对预测结构划分独立的机器学习网格节点(其网格数量远小于CFD网格数量),并在每个节点上独立建立多层感知器神经网络模型直接预测该节点的温度/热应力;针对模型输入和输出参数之间的数值关联进行分析。研究结果表明:该模型用于预测固体域温度的均方差为41.21 K^(2),平均绝对百分比误差为0.86%;预测固体域热应力的均方差为38.51 MPa^(2),平均绝对百分比误差为0.15%。壁温随着复合角、吹风比、温比的增加而降低,随着孔倾斜角的增加而增大;热应力与壁温的变化趋势一致。所提出的数据压缩和预测策略针对每个网格节点独立建模,避免将节点坐标作为模型输入,提高了建模效率。

基于叶片三维模型的气膜冷却孔自动化电火花加工

基于UG NX软件的涡轮叶片三维模型,研究了一套气膜冷却孔加工信息自动化提取方法和实现算法,集成了气膜冷却孔孔轴偏角与加工点位的自动提取、不同坐标系的适应性配准、叶片位姿调整偏角与变换坐标值的自动输出、分层获取扩散孔结构与圆直孔深度信息、自动补偿工具电极半径与放电间隙、优化扫描加工轨迹等功能,实现了电火花扫描加工扩散孔与电火花高速穿孔加工圆直孔的组合工艺自动化加工过程,并通过实验验证了该方法及其实现算法的实用性。

基于物理信息神经网络的气膜冷却湍流模型反演学习

由于气膜冷却问题中湍流的复杂特性,传统雷诺平均(RANS)方法会低估湍流的热扩散强度,导致冷却效果计算不准确。对此提出了一套基于物理信息神经网络(PINN)的湍流建模框架,基于RANS流场和大涡模拟(LES)温度场,建立了数据驱动的湍流普朗特数神经网络模型,在RANS求解器中嵌入该模型,可以动态调整湍流的热扩散强度,获得了与LES高度一致的温度场。结果表明:PINN是构建数据驱动湍流模型的良好方法,对于湍流普朗特数的建模可以有效提升RANS方法对温度预测的准确性。

高压高热流光学窗口气膜冷却设计与试验研究

光学窗口应用面临的环境愈发严苛,特别是极端严酷的气动加热条件将使局部表面温度快速升高,这不但会导致窗口发生碎裂,而且容易引发光学成像装置的饱和/干扰问题,为此通常采用气膜冷却的方式来隔离外流对窗口的直接对流加热。针对高压高热流条件下的光学窗口,设计用于极端压力和热流条件下的切向冷却气膜生成结构及装置,并通过地面试验设计、数值模拟及工程计算,对极端力热环境中影响窗口气膜冷却效能的主要因素开展研究。初步研究结果表明,所提的气膜冷却设计能够可靠降低极端环境下光学窗口表面的气动加热,可满足光学观察环境愈发恶劣的发展要求。

主流马赫数对超声速气膜冷却流场特性及冷却效率的影响

着眼于离散孔形式的气膜冷却在高超声速飞行器热防护中的应用,为更深入探究超声速气膜冷却流场结构特征以及激波对气膜冷却的耦合作用机理,采用三维可压缩RANS数值仿真方法,研究了不同主流马赫数条件下气膜冷却的流动和传热特性。结果表明,主流超声速条件下,冷却射流的阻碍作用使得气膜冷却孔上游出现激波,且随着主流马赫数的增大,激波强度增大;激波诱导主流沿展向偏转而远离气膜冷却孔中心区域,弱化了主流和冷却射流的相互作用,降低了冷却射流在展向的掺混耗散。因此,在主流超声速条件下气膜冷却覆盖效果更佳、距离更长,且整体气膜冷却效率随着主流马赫数的增大而提高。

冷气流量比对三维涡轮导叶全气膜冷却效率的影响

为了研究不同主流湍流度下冷气质量流量比对三维涡轮导叶全气膜冷却特性的影响,使用热色液晶测量了在主流湍流度为1%和15%,流量比为5.5%、8.4%和12.5%下三维涡轮导叶的全气膜冷却效率分布。结果表明:在不同的叶片区域和主流湍流度下,流量比对气膜冷却特性的影响规律也有所不同;在低主流湍流度下,冷却效率整体上随着流量比的增大而升高,但是在叶片的叶尖和吸力面中截面区域冷却效率在大流量比下降低,且叶片吸力面中弦区域的冷气呈波纹状分布;高主流湍流度使冷气射流与主流之间的掺混更加剧烈,可以抑制吸力面的冷气脱离壁面且使其分布更加均匀,冷却效率随流量比增大而升高。

不同开度可调涡轮导叶前缘气膜冷却效果研究

针对变循环发动机的可调低压涡轮导叶开展了不同开度下的前缘气膜冷却效果研究。采用数值仿真的方法,研究了5种典型导叶开度下的导叶表面压力系数分布规律,探究了开度与冷气吹风比对叶片前缘气膜出流特性和覆盖特性的影响规律。结果表明:导叶开度的减小导致前缘的气动驻点位置向压力面方向移动,造成前缘冷气射流更多地流向吸力面侧,使吸力面气膜冷却效率提高;此外,导叶开度的减小导致吸力面与压力面的冷气贴壁效果都有提高,但两者的具体机理不同。导叶开度的变化对前缘气膜孔最佳吹风比影响较小,不同开度下的最佳吹风比都在1.0附近。由于导叶开度为0°时滞止线位于气膜孔排4之上,堵塞效应显著,与开度为5°、−5°条件相比,面平均气膜冷却效率降低了13.6%。

通用电气涡轮叶片气膜冷却在华专利技术综述

通过专利申请数据,对涡轮叶片气膜冷却专利技术进行了分析,并对该领域重要申请人——通用电气公司的在华专利申请概况以及重点专利申请进行了分析,可为国内申请人在研究方向和专利申请方向提供一定的参考。

圆角凹坑气膜孔的气膜冷却流动特性研究

为了挖掘凹坑气膜孔的气膜冷却潜力,数值模拟研究了等截面凹坑孔、同心椭圆凹坑孔以及在这2种孔型基础上提出的2种圆角凹坑气膜孔的气膜冷却特性,对4种凹坑气膜孔在吹风比为0.5、1.0和1.5时的冷却效率曲线进行分析。结果表明:凹坑气膜孔与带圆角凹坑气膜孔的凹坑展向宽度增加,有利于冷却气膜的展向覆盖;在3个吹风比条件下,凹坑气膜孔进行圆角处理之后,附壁效应强化了冷却射流贴附壁面的能力,近孔区域的气膜冷却效率明显提高;随着吹风比增加,对于等截面凹坑孔,圆角处理之后的面平均气膜冷却效率分别提高了76%、139%、155%;圆角同心椭圆凹坑孔相比同心椭圆凹坑孔,面平均气膜冷却效率分别提升18%、27%、29%。

双叉排气膜孔交互作用对气膜冷却效率影响

采用高精度红外热像仪测量了平板气膜冷却效率,比较了双叉排孔和单排孔气膜冷却效率,分析了孔间的相互作用,以及吹风比(M=0.65、1.00、1.50)和密度比(DR=1.0,1.5)对气膜冷却效率的影响;同时还采用数值计算方法比较了气膜冷却下的流场。结果表明:单排气膜孔冷却效率随着吹风比的增加而降低,但是双叉排气膜孔冷却效率大大提高,且随着吹风比的增加而增加,但是在展向气膜覆盖效果变差;增加密度比可以提高气膜冷却效率,但是双叉排孔和吹风比的影响相对密度比更大;双叉排孔相比于单排孔,冷却气流在孔下游形成了反肾形涡,较好抑制了气膜吹离。

考虑精铸变形的涡轮叶片气膜冷却效率灵敏度计算方法研究

精铸加工使得涡轮叶片几何结构与设计之间产生随机性偏差,这一偏差对叶片气膜冷却效率造成不确定性影响。涡轮叶片外形偏差的不确定性是几何层面的小扰动问题。本文通过精铸模拟建立了涡轮叶片精铸变形模型。基于PIV与数值模拟建立了适用于流热耦合计算的Realizable k-epsilon湍流模型,建立了考虑叶片变形的气膜冷却效率灵敏度计算方法,计算了涡轮叶片的气膜冷却效率随吹风比变化的灵敏度。结果表明:涡轮叶片精铸产生的变形越大,对原有气膜冷却效率的损失越大。叶片整体平均形变0.25 mm使得整体气膜冷却效率损失约5%,局部形变如叶尖叶片后缘处的0.70 mm可使叶尖平均气膜冷却效率损失约8%。由灵敏度分析确定的精铸后气膜冷却效率相对误差较明显,达到了1.62%。

涡轮叶片间隙泄漏流干涉下气膜冷却的流动试验及数值模拟

气膜冷却是涡轮叶片的一种重要冷却手段。为了研究涡轮叶片的间隙泄漏对气膜冷却的影响机制与规律,采用GE-E3高压涡轮叶片开展PIV光学试验测量和非定常数值计算研究。分析不同气膜孔位置、雷诺数、吹风比等主要参数对气膜冷却流动的影响规律,发现间隙泄漏流干涉下不同位置气膜孔射流的流场效果差别较大;主流雷诺数在一定范围内对气膜孔射流的影响较小;吹风比的变化显著改变了气膜孔射流的横向发展和叶顶气膜孔射流的强度,使吸力侧泄漏涡存在远离叶片表面的趋势,同时一定程度上抑制了压力侧的泄漏流发展。