扇形孔出口宽度对气膜冷却效率影响

数值模拟了不同出口宽度的扇形孔射流在不同吹风比下的气膜冷却效率,侧重于分析涡流结构和涡量对冷却效率的影响。结果表明,出口宽度增大不但减小了涡量,还改变了涡流方向。出口宽度增大到2.5倍入口直径时,孔中心下游冷气流线由燃气指向壁面,有效改进冷气贴附性。气膜孔出口宽度越大,冷却效率越大。随着吹风比的增加,气膜孔出口宽度对冷却效率影响越明显。     

气膜孔的位置对涡结构和气膜冷却效率的影响

在燃气轮机中,气膜冷却技术能有效地从高温燃气中保护涡轮叶片,如何提高气膜冷却效率是气膜冷却研究的热点问题。使用大涡模拟(LES)模型分析了平板气膜孔在吹风比为0.5工况时气膜孔下游的速度分布,并与实验进行对比验证。在相同吹风比下,通过模拟叶片上不同气膜孔的位置相应的入口速度分布,研究其对气膜冷却效率的影响,以及对气膜冷却过程中占主导地位涡结构的形成和发展的重要影响。随着气膜孔的位置靠后,湍流边界层随之增厚,滚子涡和肾型涡对生成加快,涡强增大,涡核脱离壁面,从而影响气膜冷却效率。湍流边界层的变化对流向和展向的气膜冷却效率和冷却覆盖范围有明显的影响。     

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。     

流向涡对扇形孔气膜冷却效果影响的实验研究

在平板气膜实验台上安装涡流发生器(VG)来模拟叶栅中的流向涡,利用红外相机测量吹风比M=0.5～2.5时的气膜冷却效率和传热系数,分析二次流对扇形孔气膜冷却效果的影响.结果 表明:流向涡增强了主流与气膜射流的掺混,导致气膜绝热冷却效率明显下降以及覆盖面积减小,气膜面平均冷却效率最高降低了63％;当吹风比达到2.5时,流向涡能抑制扇形孔射流在高吹风比时的吹离趋势,抵消了部分主流与冷气掺混导致的气膜横向平均冷却效率降低的影响;流向涡使气膜与壁面的横向传热系数比增大了3.5％,壁面的热通量比最高上升了20％,在低吹风比时气膜失去了对壁面的保护作用.     

入射角度对缩放槽缝孔气膜冷却效果的影响

基于有限体积法对三维定常不可压缩N-S方程进行离散,采用两层k-ε湍流模型,在吹风比M为0.5、1.0、1.5和2.0的情况下,数值研究了入射角度(α=25°、45°和60°)对缩放槽缝孔气膜冷却效果的影响,对不同入射角度的气膜冷却整体效果进行了对比分析。结果表明:在任何吹风比的情况下,α=25°喷射时的冷却效率高于其它喷射角的冷却效率,并且随着吹风比的增大,小角度喷射优于其它喷射角的趋势也越来越大;入射角度为45°和60°的气膜孔沿孔排下游的冷却效率在下降过程中重新升高然后又继续下降,60°喷射角的上升趋势略大于45°角的上升趋势;大角度喷射时,在气膜孔下方生成了强度较强的反向涡旋对,两个旋涡之间的距离较近,冷却气流的附壁性较差,冷却效率较低。小角度喷射时,所生成的反向涡旋对与大角度喷射相比尺度较小、强度较弱,冷气射流对主流的阻碍作用比较小,冷却效率较高。     

吹风比和唇板厚度对叶片尾缘气膜冷却的影响研究

为了探究吹风比、唇板厚度对叶片尾缘半劈缝冷却结构气膜冷却特性的影响,采用数值模拟方法对比唇板厚度为4,5和3 mm,吹风比Br为0.5,0.8,1.0和1.5条件下叶片尾缘后台阶上的气膜冷却效率。结果表明：在吹风比Br为0.5时,叶片尾缘后台阶上产生的回流区大,冷气向展向扩散范围广,冷气在近劈缝一端向展向覆盖的较好,由于吹风比小,冷气流速慢,动量小,在后台阶远端燃气与冷气掺混量大,导致冷气冷却能力降低;在大吹风比下（Br=1.5）,冷气流速快,冷气从劈缝射出集中覆盖在劈缝下游处,而肋下游冷气覆盖效果差。唇板厚度影响着唇板出口处形成的回流区,增大唇板厚度将导致半劈缝出口气流分离所产生的涡强度变大,促进燃气与冷气的掺混,降低冷却效率,薄唇板会使尾缘气膜冷却效率显著提高。     

上游V形肋对气膜冷却性能影响的数值模拟研究

利用数值模拟的方法研究气膜孔上游布置V形肋对气膜冷却绝热效率的影响,分析了5种肋片高度对气膜冷却流动和冷却性能的影响规律。研究表明:上游布置V形肋会使主流产生一对与肾形涡旋转方向相反的涡。该主流涡抑制了肾形涡的膨胀,使得冷却空气的流动分离减小并更贴近壁面,同时加强了冷却空气的展向扩散;在本文研究的工况中,气膜孔上游布置h=0.3 Dh的V形肋时,冷却空气的展向分布最均匀;上游布置V形肋还会使气膜冷却的总压损失系数增加,且随着肋高h的增加总压损失系数进一步增加;此外,上游布置V形肋能改善气膜孔下游底面的冷却性能,且冷却效率随h的增加先增大后减小,在h=0.3 Dh时达到最大值。     

异形孔气膜在近壁涡流中的鲁棒性分析

在平板射流模型中,利用涡流发生器模拟叶栅流场中复杂的近壁涡流动结构,通过面平均冷却效率和气膜有效覆盖比的变化情况,研究扇形孔和猫耳孔在近壁涡流环境中的鲁棒性。结果表明：流向涡在气膜孔下游与反肾形涡掺混,抬升反肾形涡,造成气膜冷却效率降低;猫耳孔的反肾形涡更加稳定,不容易被流向涡卷起;吹风比为1.0～2.0时,扇形孔面平均冷却效率下降9.3%～12.9%,猫耳孔面平均冷却效率下降1.0%～2.7%;扇形孔气膜有效覆盖比下降14.2%～29.0%,猫耳孔气膜有效覆盖比下降1.9%～4.6%。在含涡流的复杂流动环境中,猫耳孔具有更好的鲁棒性。     

孔型对水雾/空气气膜冷却特性影响的数值模拟研究

在平板表面分别开设了圆柱孔、展向扩张孔和收缩扩张孔。对比研究了3种孔型的纯空气气膜冷却和水雾/空气气膜冷却特性。在3种吹风比：0.66、1.04、1.44下展开研究。将圆柱孔的数值计算结果与文献中的实验结果进行对照以验证水雾/空气冷却数值计算方法的正确性。对3种孔型下冷却气体混合物的无量纲速度矢量图和部分水雾颗粒的运动轨迹进行了比较和分析。对3种孔型中心线和展向平均气膜冷却效率进行了比较和分析。结果表明：圆柱孔和展向扩张孔射流形成的肾形涡将水雾颗粒抬离平板表面。收缩扩张孔射流形成的肾形涡增强了水雾颗粒的展向扩散并将靠近孔口两侧区域的水雾颗粒逐渐抬离平板表面。对于圆柱孔和展向扩张孔,其射流形成的肾形涡削弱了水雾颗粒对于展向平均气膜冷却效率的提高作用,收缩扩张孔水雾/空气冷却的展向平均气膜冷却效率在3种吹风比下均大于0.6,当吹风比为1.44时,收缩扩张孔的展向平均气膜冷却效率约为展向扩张孔的2倍,圆柱孔的4倍。2种冷却方式下,在吹风比从1.04增大到1.44时,展向扩张孔中心线气膜冷却效率降低0.3左右,而收缩扩张孔中心线冷却效率的降幅小于0.1。     

孔型对水雾/空气气膜冷却特性影响的数值模拟研究

在平板表面分别开设了圆柱孔、展向扩张孔和收缩扩张孔。对比研究了3种孔型的纯空气气膜冷却和水雾/空气气膜冷却特性。在3种吹风比:0. 66、1. 04、1. 44下展开研究。将圆柱孔的数值计算结果与文献中的实验结果进行对照以验证水雾/空气冷却数值计算方法的正确性。对3种孔型下冷却气体混合物的无量纲速度矢量图和部分水雾颗粒的运动轨迹进行了比较和分析。对3种孔型中心线和展向平均气膜冷却效率进行了比较和分析。结果表明:圆柱孔和展向扩张孔射流形成的肾形涡将水雾颗粒抬离平板表面。收缩扩张孔射流形成的肾形涡增强了水雾颗粒的展向扩散并将靠近孔口两侧区域的水雾颗粒逐渐抬离平板表面。对于圆柱孔和展向扩张孔,其射流形成的肾形涡削弱了水雾颗粒对于展向平均气膜冷却效率的提高作用,收缩扩张孔水雾/空气冷却的展向平均气膜冷却效率在3种吹风比下均大于0. 6,当吹风比为1. 44时,收缩扩张孔的展向平均气膜冷却效率约为展向扩张孔的2倍,圆柱孔的4倍。2种冷却方式下,在吹风比从1. 04增大到1. 44时,展向扩张孔中心线气膜冷却效率降低0. 3左右,而收缩扩张孔中心线冷却效率的降幅小于0. 1。     

长径比对缩放槽缝孔气膜冷却效果的影响

基于有限体积法对三维定常不可压缩N-S方程进行离散,采用两层k-ε湍流模型,在吹风比M为0.5、1.0、1.5、2.0的情况下,数值研究了长径比(L/D=2、4、8和10)对缩放槽缝孔气膜冷却效果的影响,对不同长径比气膜冷却整体效果进行了对比分析。结果表明:在任何吹风比下,缩放槽缝孔的冷却效率都随着孔长与孔径比的增大而增大,特别是在长径比由2变为4时,冷却效率有大幅度的提高,当L/D8时,增加的幅度趋缓;对于同一长径比,孔与孔之间沿展向的冷却效率均有不同程度的增加,小吹风比时增加的幅度小,随着吹风比的增大,冷却效率增加的幅度也随之增大;在短孔的气膜孔下方生成了强度较强和尺度较大的反向涡旋对,在长孔的气膜孔下方所生成的反向涡旋对与短孔相比尺度较小、强度较弱,冷气流动的分离现象消失,流动较规则,冷却效率较高。     

复合角双射流气膜冷却的研究

采用数值模拟方法,研究了不同吹风比下孔排间距对复合角双射流气膜冷却特性的影响。结果表明,较小的孔排间距形成的反肾形涡为上下结构且不对称,冷却效果提高有限;而较大的孔排间距有利于形成左右对称的反肾形涡,能够在下游形成大面积的展向冷气覆盖,同时射流更好地贴附于壁面,大大提高了冷却效率;并将该结构应用到某重型燃气轮机静叶上,取得了良好的冷却效果。     

不同气膜孔型在平板及叶片上的冷却效果研究

在燃气轮机透平叶片冷却设计中,气膜冷却是一种高效的冷却方式,能保护叶片表面不受高温燃气侵蚀。成型孔是目前广泛应用的气膜孔型。为研究孔型结构对冷却效率的影响作用,展开了数值计算。首先通过数值模拟方法研究了平板上4种不同结构的成型孔在吹风比为1.5～2.5工况下的流动换热规律,发现一种收敛缝型孔具有冷气覆盖面广、冷却效率高的特点。将带展向11°扩张角、流向10°扩张角的成型孔与收敛缝型孔布置在叶片上,进一步展开数值计算,发现在前者的气膜孔排布置下,冷却气分布更加均匀,冷气消耗量少,仅为收敛缝型孔的37%,更符合冷却叶片设计原则。     

基于模态分析的非定常气膜冷却数值研究

为了研究非定常气膜冷却的强化冷却机理,利用大涡模拟对非定常圆孔气膜冷却进行数值模拟,研究了4种不同脉动频率下(St=0,0.2,0.3,0.5)的涡结构与气膜冷却效率,并利用动态模态分解对计算结果进行分析,研究流场与换热的耦合机理。结果表明：脉动频率对非定常射流气膜冷却效率的影响较大,当St=0.2时气膜冷却效率与稳态射流相似,当St=0.3时气膜冷却效率比稳态高,而当St=0.5时气膜冷却效率反而会降低;当St=0.3时非定常射流能抑制下游发卡涡的生成并加速其破碎,从而提高气膜冷却效率;射流脉动产生了很多次生涡结构,这些涡结构促进了在流向方向上射流与主流的掺混,但是抑制了展向上的射流与主流掺混。     

低稠度涡轮导向叶片端壁高效气膜冷却特性研究

采用低稠度涡轮导向叶片设计方案，可减少导向叶片的用量，减轻涡轮重量，降低发动机冷气用量及耗油率，但同时也带来导向叶片端壁冷却负荷增大等问题。依据低稠度涡轮导向叶片端壁的结构与流动换热特点，制定了槽缝和气膜孔共同冷却的方案。通过数值模拟和分析，重点研究了低稠度涡轮导向叶片端壁前缘气膜孔在不同方向角、孔数、孔径以及叶栅通道中气膜孔布置等条件下的流动及冷却特性。研究结果表明：对低稠度涡轮导向叶片端壁前缘气膜孔进行优化设计，可以有效克服导向叶片端壁前缘高强度马蹄涡对于气膜冷却效果的不良影响；在叶栅通道内合理设置气膜孔，可以改善通道内复杂涡旋对端壁气膜的卷吸作用，提高气膜冷却效果；当槽缝和气膜孔中的冷气流量比分别为3%和2%、气膜孔方向角为45°、气膜孔直径为1.25 mm、叶片前缘和叶栅通道气膜孔数分别为8和1时，叶片端壁表面被冷气膜全部覆盖，此时端壁面平均气膜冷却效率相对最高，达到53.7%。     

双叉排孔脉动射流气膜冷却效率的实验与数值模拟研究

采用高精度红外热像仪测量了平板绝热气膜冷却效率,比较了双叉排孔和单排孔气膜冷却效率,分析了吹风比(M=0.65,1.0,1.5)和脉动频率(St=0,0.01,0.015,0.025)以及孔间作用对气膜冷却效率的影响,结合数值计算得到的瞬态流场和温度场分析了脉动射流气膜冷却下的流动传热机理。结果表明：在稳态射流工况下,单排孔的气膜冷却效率随着吹风比的增加而减小,双叉排孔的气膜冷却效率却随着吹风比的增加而增大;在脉动射流时,单排和双叉排孔的气膜冷却效率在低吹风比下低于稳态射流,在高吹风比下,脉动射流对气膜冷却效率的影响减小,且低频脉动射流气膜冷却效率略高于稳态射流。     

具有新型双层壁结构的透平叶片流热耦合研究

多通道壁面射流冷却结构是一种新型的燃气透平动叶内部冷却结构,具有消耗冷气少、压力损失小等优点。本文构建了简化的壁面射流冷却叶片与GE-E3冷却结构叶片模型,采用流热耦合方法对比研究了其流动与换热特性。结果表明,壁面射流冷却通道内的狭小空间抑制了横流的产生,冷气在冷却通道中形成了流向涡;前缘冷气流道中的大量冷气流经吸力侧冷却区,并从出口压力更小、面积更大的尾缘排出,使得前缘气膜孔出流的冷气流量和动量较小,冷气在叶片外表面的气膜覆盖特性更好;离心力的影响导致前缘冷气流道中叶根处的压力较低,叶根附近的气膜孔出现燃气主流入侵现象。相比于GE-E3叶片,壁面射流冷却叶片的前缘温度和温度梯度都较小,因此多通道壁面射流冷却在前缘具有更优异的冷却特性。     

旋转状态平板收敛缝形气膜孔改善 冷却效果的数值研究

数值研究了旋转状态下收敛缝形气膜孔结构的冷却特性，并与圆形孔对比，得到收敛缝形气膜孔具有改善气膜冷却效果的特性。结果表明：旋转条件下，气膜的偏移使得展向冷气覆盖的区域增大，收敛缝形气膜孔的展向冷却有效范围明显优于圆形孔，同时对主流的穿透率较低，说明旋转时收敛缝形气膜孔的贴壁性依然较好；各种转速条件下，圆形孔的气膜在大吹风比工况呈现脱离壁面的特点，而收敛缝形气膜孔可以更好地形成气膜保护壁面，从而增强冷却效果；研究范围内，随着吹风比的增加，收敛缝形气膜孔的优势越加明显，虽然气膜孔出口处出现冷却效率稍低的现象，但在冷却范围、冷却效率以及冷却均匀性等方面均优于圆形孔，从而可起到改善冷却效果的作用。     

压力面气膜冷却射流复合角的数值研究

基于冷气喷射模型的验证结果,对复合角分别为0°、30°和60°三种条件下的叶片压力面前部单排孔喷射的气膜冷却特性进行了三维环形叶栅数值模拟,详细分析了在不同吹风比条件下的叶片气膜冷却效率特征。分析结果表明:Coolinh/Bleed冷气喷射模型得出的预测结果可靠。复合角使射流孔附近孔间区域冷却效率值升高。低吹风比下,复合角不能改善展向气膜冷却效率分布的均匀性;高吹风比下,复合角使展向气膜冷却效率更加均匀分布,且可减弱冷却射流脱离壁面的程度。但是,复合角不一定能增强冷却孔下游的整体气膜冷却效果。     

复合扩张角对平板扇形孔冷却特性的影响研究

为了研究扇形孔不同复合扩张角对平板气膜冷却的影响,分别对10°、12°、14°、16°4种复合扩张角的气膜孔的流动和传热特性进行了数值模拟。研究结果表明,4种气膜孔复合扩张角孔型出口下游均出现从中心向上抬升的反向旋转涡对,将主流燃气卷吸进来;较大的复合扩张角孔型使得气膜出流在侧向覆盖相对更宽,可以有效地降低壁面温度;在相同吹风比下(M=0.75～1.75),12°复合扩张角孔型在气膜出流方向(40D范围区域)的平均绝热冷却效率明显要高于其他3种孔;吹风比M=1时,冷气出流复合扩张角增大的同时,冷却效率η≥0.3的覆盖面从X/D≈40减小到X/D≈8。同时,针对侧向扩张12°的7种不同后倾角的扇形孔进行了研究,发现其后倾角(范围10°～14°)的变化对冷却效率有一定的增强作用。研究成果可为燃气轮机透平叶片表面气膜孔的设计及升级改进提供参考。