高压涡轮外环非定常气膜冷却特性研究

本文对叶片高速扫掠作用下高压涡轮外环的非定常气膜冷却过程进行了数值模拟,应用滑移网格实现涡轮叶片与外环壁面之间的相对运动,分析了叶片的旋转效应、吹风比、转速、气膜孔逆顺流布置等因素对高压涡轮外环气膜冷却特性的影响规律。结果表明:叶片与涡轮外环之间的相对运动使得气膜分布更加均匀,同时导致了吸力面附近气膜的葫芦状分布,有利于对外环壁面的冷却;逆向分布气膜孔在大吹风比与高转速下有更好的气膜冷却效果;吹风比的增加加强了叶顶泄露涡作用下的葫芦状气膜分布,而转速的增加减弱了叶顶泄露涡对冷气的压迫作用。

动静干涉下高压涡轮外环非定常气膜冷却性能分析

为了探索航空发动机高压涡轮外环非定常气膜冷却性能的影响因素及其作用规律,对叶片高速旋转作用下某航空发动机高压涡轮外环的非定常气膜冷却过程进行了3维数值模拟。应用滑移网格技术实现了涡轮叶片与涡轮外环壁面之间的相对运动以及转子与静子之间干涉作用的模拟;分析了叶片的旋转作用、吹风比、气膜射流方向、气膜轴向射流角度等因素对高压涡轮外环非定常气膜冷却性能的影响规律。结果表明:在高吹风比下应防止叶片前缘上游气膜孔冷却裕度不足现象的发生;逆向排布的气膜孔更适合在高吹风比下使用;当气膜入射角由45°减小为30°时,外环面平均气膜冷却效率时均值增大18.54%,显著提高了涡轮外环冷却的冷气利用效率。

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%。

叶顶和外环喷气对叶尖区域换热特性的影响

以GE-E3高压涡轮的第一级动叶为研究对象,采用数值求解RANS方程方法研究叶顶冷气喷射、外环冷气及两者同时冷却对叶顶和外环的换热特性的影响。结果表明:相较于无冷却的凹槽叶尖,外环和叶顶两者同时冷气喷射使得凹槽底部平均换热系数的峰值点沿轴向后移至15% Cax位置处,使得凹槽的槽底最大换热系数降低17.2%。单一外环喷气对降低平顶叶尖的叶顶和外环的换热系数效果最佳,但是平顶叶尖的叶顶区域和外环区域的热负荷的降低依赖于不同的冷却方式。而叶顶和外环两者同时喷气的冷却方式对凹槽叶尖的冷却最为稳定,对抑制叶顶和外环两区域的对流换热系数和热载荷方面均表现最好。

叶片旋转转速和吹风比对涡轮外环双层壁结构阵列冲击冷却特性的影响研究

采用数值模拟的方法,基于稳态雷诺平均方程(URANS)耦合k-ω SST模型和滑移网格法分析了涡轮叶片旋转扫掠条件下带有非定常气膜出流的外环腔内阵列冲击传热特性。在外环冲击-气膜复合冷却结构中,冲击孔和气膜孔呈交错排列,冲击距与冲击孔直径之比为1.25,斯特劳哈尔数St=2.35、3.52(对应转速Ω=10 000、15 000 r/min),吹风比M=0.5、1及1.5。结果表明:叶片旋转扫掠效应引起的气膜孔出口压力波动会诱导冲击孔入口的瞬时质量流量发生变化,而时均质量流量几乎保持不变;吹风比在0.5~1.5之间变化时,靶面的瞬时和时均平均冲击换热特性随着吹风比的增大而增强;相同的吹风比时,叶片转速的提高对靶面瞬时和时均换热特性的影响非常微小。

带有非定常气膜出流的涡轮外环内部冲击换热的数值研究

为了研究涡轮外环外部非定常压力波动对内部射流冲击流动换热特性的影响,采用非稳态雷诺平均的数值模拟方法获得了正弦型气膜出流压力脉动参数(波动频率和幅值)对冲击靶面换热特性的影响规律。计算表明:正弦型气膜出流压力能诱导产生相同频率不同相位的正弦型冲击入口压力和进、出口质量流量;随着气膜出口压力的波动频率增大,冲击入口压力和进、出口质量流量的波动范围不断减小,而靶面瞬时平均Nu的波动范围先减小后增大;增大出口压力振幅能增大进口压力、进出口质量流量和靶面瞬态换热的波动范围,不改变相位分布。