气膜孔几何结构对涡轮叶片气膜冷却影响的研究进展

综述了近年来涡轮叶片气膜孔几何结构对气膜冷却特性影响的研究成果,介绍了影响气膜冷却效果的因素.总结了气膜孔结构对叶片前缘、叶片端壁以及对平板气膜冷却影响的研究现状.阐述了气膜孔结构对气膜冷却传热特性的影响.最后指出进一步优化气膜孔结构,综合考虑气膜孔尺寸、长度、间隔、形状以及相对透平叶片取向对气膜冷却的影响和新型气膜孔的研究.将是今后工作的重点.     

气膜孔形状对涡轮叶片气膜冷却影响的研究进展

气膜冷却是航空发动机叶片上采用的冷却方式之一,气膜孔结构对冷却效率影响非常显著。通过对不同形状孔射流气膜冷却回顾,指出了圆柱孔射流冷却的有害涡流动结构。论述了几何结构和气动参数对气膜冷却特性的影响,提出了一种高效气膜冷却孔结构——双出口气膜孔。利用商业软件对双出口射流的冷却效率进行了数值模拟。结果表明,双出口孔射流时,形成的涡结构有利于冷气贴附在壁面。最后给出了圆柱孔和双出口孔射流冷却效率对比结果,无论在平板上还是在叶片前缘,双出口孔射流冷却效率都明显高于圆柱孔射流冷却效率。     

冲角和孔排间距对端壁气膜冷却效率的影响

燃气轮机在变工况运转时透平叶栅和级的特性对燃机总体性能影响极大,而叶栅端壁气膜冷却效率是关键因素。为了提高端壁气膜冷却效率,通过优化气膜孔间距排列的方法,在叶栅端壁20%、50%、90%轴向弦长处和距前缘-10%轴向弦长端壁处布置单排带复合角度的圆柱形气膜冷却孔,运用CFD(计算流体动力学)方法对冲角(10°、0°、-10°)在不同吹风比(1、1.5、2)条件下端壁气膜冷却效率进行对比分析。结果表明:采用气膜孔非等距排列方式能有效缓解因横向压力梯度变化引起的马蹄涡在压力侧的阻隔作用,压力侧冷却效率较高;高吹风比的冷却射流会出现抛射冷却,能有效抑制冷却射流脱离壁面,壁面平均冷却效率提高;主流正冲角有利于提高端壁吸力侧气膜冷却效率,压力侧变化不大。     

开槽气膜孔结构对气膜冷却和流动特性的影响

运用数值模拟的手段,从流动特性和冷却特性两方面评价了各种开槽气膜冷却孔结构的优劣。从流动的机理揭示了在相同的槽深下,不同的横槽结构对改善气膜冷却效率和流量系数的影响,并比较了在气膜孔出口和入口均开有横槽后对流动和冷却特性的影响。结果表明：开横槽后,气膜孔出口下游的冷却效率得到不同程度的改善,吹风比越大,改善的程度越明显。在横槽下游5D-10D的范围内,冷却效率的改善程度最大;在气膜孔出入口处均开有斜横槽的结构和用圆角过渡气膜孔入口处的横槽均是提高气膜冷却效率和减小气膜孔流动阻力的有效措施,而在气膜孔出口处的横槽用圆角过渡则不利于改善气膜冷却效果。     

进口气流冲角对环形叶栅端壁气膜冷却效率的影响

进口气流冲角变化会改变端壁横向压力梯度致使端壁气膜冷却气体覆盖发生变化。本文在环形叶栅端壁30％、60％、90％轴向弦长处和距前缘-10％轴向弦长端壁处布置单排圆柱形气膜冷却孔,运用CFD方法在吹风比为1．0条件下对来流冲角为10°、0°和-15°时端壁气膜冷却效率进行对比分析。结果显示冲角由正值到负值,压力面和吸力面一侧两支马蹄涡夹裹冷却气膜主体向压力面偏移,致使吸力面一侧端壁未冷却区域扩大,压力面一侧端壁未冷却区域缩小。吸力面一侧端壁气膜冷却效率沿流向逐渐提升,并在流道中、下游完全冷却覆盖端壁,而压力面一侧端壁一直未能获得冷却气膜覆盖。     

涡轮端壁平均气膜冷却效率的正交模拟研究

在涡轮叶栅端壁21%、51%、81%轴向弦长处和距前缘9%轴向弦长端壁处布置4排圆柱形气膜冷却孔,运用CFD方法模拟吹风比、轴向倾角α和展向倾角β3个影响因素共同作用下的端壁平均气膜冷却效率,通过正交方案选出最优孔排布置方式.结果表明:吹风比对端壁平均气膜冷却效率的影响最大,展向倾角β影响次之,轴向倾角α影响最小;吹风比为2.0,轴向倾角α为30°,展向倾角β为45°(第1、第3排冷却孔与y轴负方向成45°,第2、第4排冷却孔与y轴正方向成45°)布置时,端壁表面平均气膜冷却效率最高,为3个因素影响下的最优方案.     

气膜孔堵塞对叶片吸力面气膜冷却的影响

为阐明热障涂层工艺造成的气膜孔堵塞对气膜冷却的影响机理,采用数值模拟方法研究了叶片吸力面在气膜孔堵塞比为0.2、0.5和0.8,吹风比为0.5、1.0、1.5和2.0时的气膜冷却效率变化.结果表明:堵塞比越大,气膜冷却效率下降幅度越明显,孔下游气膜覆盖面积越小;相比无堵塞情况,堵塞比为0.8时展向平均气膜冷却效率退化为...     

离散孔波纹板气膜冷却的实验研究

对两种不同开口规律的离散孔波纹板进行了实验研究,分析了来流气动参数及波纹板的开孔规律等几何参数对冷却效率的影响,建立了离散孔波纹板气膜冷却对流换热模型,用最小二乘法拟合了相应的关系式及关系曲线,并将有关结果与离散孔平板进行了对比研究,得出了离散孔波纹板,尤其是在其波峰与波谷之间开有大孔的离散孔波纹板,在其波峰与波谷之间,冷却效率较低,在孔板的尾端,其冷却效率的增长比离散孔平板明显加快.     

涡轮叶片表面全气膜冷却传热实验研究

对全气膜覆盖的涡轮导向叶片的表面进行了详细的传热实验研究,重点研究了不同质流比和不同雷诺数对当地气膜冷却效率和换热系数的影响.实验结果表明:质流比(冷气质量流量和主流质量流量的比值)的变化会显著地影响叶片表面温度场的分布,从而影响叶片表面的换热和冷却效率;在同一质流比下,雷诺数对气膜冷却效率的影响则相对较小.全气膜冷却能够有效地降低叶片的热负荷,该结果可作为在工程实际中的参考.     

姊妹孔旋流气膜冷却的流动传热特性研究

为了研究旋流进气条件下姊妹孔副孔的排列方式和冲击孔角度在不同吹风比下对旋流气膜冷却效果的影响规律,采用旋流冷气腔,按上述两因素建立7个模型,并在6个吹风比下对各模型采用传质传热类比方式进行数值模拟计算。研究结果表明：在吹风比较小时,各模型冷气射流的贴壁性都较好,且各模型的冷却效率相差不大,但是随着吹风比的增大,各模型的冷却效率都有所下降;采用30°冲击孔针对姊妹孔副孔排列方式,两副孔轴线与主孔轴线距离L1,L2均为0.75D的模型1在6个不同的吹风比下都能取到最高的面平均冷却效率;冲击孔角度对气膜冷却效果的影响在不同吹风比下存在较大差异,在吹风比M为0.3～1.0时采用30°与50°的冲击孔都能得到较好的冷却效果,但当吹风比增大到1.25～1.5时,采用30°冲击孔能获得更好的冷却效果。     

基于流热耦合的燃气轮机透平叶顶冷却设计

燃气轮机透平叶顶区域存在复杂的流动和换热问题,承受很高的热负荷。为了降低透平动叶叶顶温度,在透平叶顶现有结构的基础上提出气膜冷却和气膜+内冷通道冷却两种叶顶冷却方案,并通过流热耦合计算分析冷却升级前后叶顶区域的换热和流动特性。研究发现：叶顶气膜冷却方案可有效降低叶顶温度,特别是叶顶前缘至中弦区域;而气膜＋内冷通道冷却方案基于外部气膜冷却,结合内部冷却通道设计,可进一步降低叶顶尾缘的温度;与原型叶片相比,气膜+内部冷气通道的复合冷却设计可以使叶顶尾缘最高温度降低24 K。     

多斜孔气膜冷却传热特性数值研究

对三种不同结构的多斜孔气膜冷却结构进行了数值研究。多斜孔均为叉排结构,斜孔与平板表面夹角均为30,°重点研究了不同相邻孔间距与孔径比Pm/dm(3.0～5.0)和不同吹风比M(0.5～1.5)对热侧壁面绝热温比和换热系数的影响规律。     

气膜孔堵塞对叶片吸力面换热性能影响

为研究热障涂层喷涂过程造成的气膜孔堵塞对叶片吸力面换热特性的影响,利用数值模拟方法分析了叶片吸力面气膜孔堵塞比为0.2~0.8时传热系数的变化规律。将吹风比作为控制冷热流体流量比例的气动参数,在其变化范围为0.5~2.0情况下,详细分析了气膜孔堵塞对孔下游肾形涡、叶片壁面传热系数二维分布和展向平均传热系数的影响。结果表明：在吹风比相同的情况下,堵塞比越大,传热系数增幅越大;堵塞使肾形涡尺度和强度显著增大,导致壁面传热系数增大,吹风比越大,这种效应越明显;相比于无堵塞情况,堵塞比为0.2时传热系数基本不变,堵塞比为0.5时传热系数增大5%~7.2%,堵塞比为0.8时传热系数增大9%~12%。     

液膜流动传热稳定性综述

本文综述了液膜传热流动性的背景及意义,回顾了沿平板液膜、表面波、多相液膜、加热液膜及波动液膜的国内外研究进展,总结了液膜已有的理论结果,并展望了液膜技术的发展前景。     

降膜蒸发过程的传热性能研究

对圆管和平壁的降膜蒸发过程的传热机理及影响因素进行了分析,并对已有的实验结果进行了比较;已有的实验研究主要是围绕圆管或平壁来进行,不利于找出最佳加热元件;提出在平壁表面加圆管型肋的复合加热元件,对其进行研究有利于找出最佳加热元件,对提高降膜蒸发传热效率极具实用价值。     

气膜冷却共轭传热性能对CMAS颗粒沉积规律影响研究

基于颗粒速度、温度、粘度和组分之间的函数关系以及与壁面的碰撞、反弹、粘附和去除机制,建立了CMAS(CaO MgO Al2O3 SiO2)颗粒在涡轮叶片表面沉积的数学模型,研究了不同吹风比0≤M≤2和粒径下气膜冷却共轭传热性能对气膜冷却有效度、CMAS沉积效率和沉积规律的影响规律。结果表明：当吹风比为0≤M≤2时考虑共轭传热的平均气膜冷却有效度随吹风比非线性增大,M>1.5时气膜孔下游出现明显的对转涡对和冷却剂射流分离;气膜孔出口存在被CMAS堵塞的潜在风险,小吹风比时气膜孔被严重堵塞,大吹风比时气膜孔间以及下游气膜覆盖间隙处形成典型的扇形周期性沉积“犁沟”,CMAS沉积效率随吹风比的增大而减小;分析工况下,随着粒径增大沉积效率显著降低,粒径为4 μm时沉积效率最大,可达28.5%。     

波纹管降膜蒸发器传热性能的研究

本文分析了影响波纹管降膜蒸发器传热性能的主要因素，以葡萄糖溶液为工质，通过实验研究，建立了传热系数准数经验关联式，研究结果表明，准数经验关联式计算值与实验值吻合较好，为工程设计提供了参数依据。     

AGTB叶型前缘气膜冷却效果的数值模拟研究

以AGTB叶型为对象,对文献中获取换热系数的两种计算方法进行了对比研究,结果表明维持主流和射流温度一致的等温法不能很好地反映气膜冷却流动中的传热现象,而主流和射流有温差的非等温法使得传热现象和流动现象都得到了很好的反映,且更接近实际物理问题.而后以实际发动机中的AGTB叶型为研究对象,将开槽气膜冷却孔结构应用于该叶片,...     

垂直窄缝通道内环状流沸腾传热特性

本研究基于液膜和蒸汽的质量、动量和能量方程,建立了均匀热流垂直窄缝通道内环状流沸腾传热模型,通过相关文献估算环状流起始点处液膜厚度,利用有限差分法对环状流模型方程组进行数值求解,得到沿流道环状流区域的液膜厚度,并进一步预测了局部沸腾传热系数,结果表明:环状流区域的局部沸腾传热系数随质量流量和干度的增加而增加,与Kenning关联式对比,模型预测沸腾传热系数较关联式计算值偏低。将不同工况下的226组两相环状流实验数据与模型预测结果进行对比,平均绝对误差为18.2%。