气膜孔形状对涡轮叶片气膜冷却效果的影响

基于控制容积法对三维定常不可压缩N-S方程进行离散,采用非结构化网格及两层k-ε湍流模型,在吹风比M为0.6和1.2的情况下,数值模拟了气膜孔几何形状对涡轮叶片气膜冷却效果的影响,得到了气膜孔附近的流场分布.所选孔形为圆柱孔、前向扩张孔、开槽前向扩张孔及新型缩放槽缝孔.结果表明:圆柱孔的冷却效率随着吹风比的增加而显著地降低;开槽前向扩张孔的冷却效率优于圆柱孔和前向扩张孔;缩放槽缝孔在不同吹风比下的冷却效率均高于其它3种孔形,缩放槽缝孔和开槽前向扩张孔不同程度地抑制了反向涡旋对的产生,提高了射流对壁面的贴附性,增强了壁面的冷却效果.     

新型缩放槽缝孔气膜冷却效率的数值研究

基于控制容积法对三维定常不可压缩N-S方程进行离散,采用分区域非结构化网格及两层k-ε湍流模型,在吹风比M=0.6～1.5的情况下,对新型缩放槽缝形气膜孔进行了详细的平板气膜冷却数值汁算,得到了在喷孔射流下游处及叶高方向上的气膜冷却效率,并研究了其孔长与孔径比L/D对冷却效率的影响.计算结果表明:高吹风比对缩放槽缝孔沿中心线冷却效率的影响较为复杂;缩放槽缝形气膜孔下游的冷却效率并不随吹风比的变化而单调变化,而是在吹风比为1.0时存在最佳值;在孔口下游较远区域,两个相邻孔之间沿叶高方向的气膜覆盖性较好;缩放槽缝孔的冷却效率随着其孔长与孔径比L/D的增大而增大,当L/D>8时,增加的幅度趋缓.     

孔间距对缩放槽缝孔气膜冷却效率的影响

基于有限体积法对三维定常不可压缩N-S方程进行离散,采用分区域非结构化网格及两层k-ε湍流模型,在吹风比M为0.4、0.8和1.6的情况下,数值研究了孔间距(P/D=3.0、3.5、4.0)对缩放槽缝孔气膜冷却效率的影响,对不同孔间距气膜冷却整体效果进行了对比分析。结果表明:孔间距较小时,在孔口附近及孔间区域发生强烈的气膜干扰,冷却气膜分布比较集中,在孔口下游近处冷却效率较高;随着孔间距的增大,气膜覆盖面积增加,孔口附近的冷却效率低于小孔距,各个孔沿展向的冷却效率也有所降低,在孔下游远处发生的气膜干涉较为明显;在低吹风比时,孔间距较小气膜孔的冷却效果最好,在高吹风比时,孔间距较大气膜孔对壁面的冷却效果与低吹风比相比有大幅度的改善。     

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。     

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。     

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。     

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。     

姊妹孔平板气膜冷却效率的数值模拟

利用Fluent软件对Navier-Stokes方程进行求解,采用Realizable k-ε模型研究了30°、45°和60°3种夹角姊妹孔射流对气膜冷却效率的影响,讨论了2个次孔夹角角度对流动温度场和姊妹孔平板冷却效率的影响.结果表明:姊妹孔主要是通过2个次孔产生的涡旋结构和主孔涡旋结构相互作用来提高冷却效率的,将被抬离的射流中心向横向方向拉拽,破坏反向对涡旋,将升力变为展向拉力,既提高了射流贴壁性又增大了展向覆盖面积;姊妹孔夹角为30°时,平板的气膜冷却效率最高.     

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.     

姊妹孔与单入双出孔平板气膜冷却效率的数值模拟

采用Fluent分离隐式求解器进行稳态计算,在吹风比为0.5、1.0、1.5和2.0的情况下,采用Realizable k-ε湍流模型对圆柱孔、单入双出孔和姊妹孔平板气膜冷却进行数值模拟,讨论不同孔形平板主流方向和平板横向的冷却效率以及流场变化.结果表明:主流方向在近孔区域姊妹孔冷却效率高于单入双出孔,且随着吹风比的增大优势更加明显,但是由于射流贴附壁面较早,射流与主流掺混引起动量损失,到远孔区域以后,姊妹孔冷却效率稍微下降,低于单入双出孔;姊妹孔平板横向近孔区域的气膜层分布较均匀,单入双出孔远孔区域由于主孔与次孔射流速度差引起气膜层偏移,导致平板一侧冷却效果好,另一侧冷却效果欠佳;吹风比较小时单入双出孔冷却效果较佳,大吹风比下姊妹孔优势明显.     

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。     

旋转对涡轮叶片气膜冷却影响的数值模拟

采用数值模拟的方法对旋转涡轮叶片表面的气膜冷却效率进行了研究,同时对涡轮静叶栅和动叶片在不同的旋转速度下分别进行计算,分析不同转速、吹风比和冷却气流喷射角度对气膜冷却的影响.计算结果表明,旋转使压力面气膜冷却效率降低,转速越高,气膜冷却效率越低;在吸力面冷却孔下游附近区域,叶片旋转对气膜冷却效率的影响不大,但叶片旋转使离冷却孔较远处的吸力面冷却效率升高.同时,在旋转状态下,靠近叶顶区域的叶片表面气膜冷却效率升高.     

不同吹风比下双出口孔射流气膜冷却数值模拟计算

为了获得吹风比对新型气膜冷却孔冷却效率的影响规律,利用Fluent软件求解Navier-Stokes方程,对吹风比分别为0.5、1.0、1.5和2.0时单入口-双出口孔射流冷却效率进行了数值模拟计算,得到了不同吹风比下的流场和冷却效率.结果表明：吹风比对冷却效率有很大影响;随着吹风比的提高,不同次孔方位角下的冷却效率变化规律也不相同;当次孔方位角γ=30°时,吹风比为1.0时的冷却效率最高;当γ=45°时,冷却效率随着吹风比提高而提高;当γ=60°时,冷却效率随着吹风比提高而降低;在研究高吹风比对气膜冷却效率的影响时,γ=45°最佳.     

利用波形槽改善气膜冷却效率的数值研究

为研究具有波形槽结构的冷却孔出口和波形槽扩散角对涡轮叶片气膜冷却效率的影响,设计了3种不同的扩散角波形槽结构,采用数值模拟方法研究了波形槽的下游速度场、温度场及壁面的气膜冷却效率,分析了波形槽及其扩散角对气膜冷却效率的影响。结果表明:在同一吹风比M=1.5时,与标准圆柱孔相比,波形槽结构的展向平均气膜冷却效率提高200%~300%;与横向槽相比,波形槽结构展向平均气膜冷却效率提高60%~120%;小吹风比条件下,3种扩散角波形槽结构的平均气膜冷却效率差别不大,大吹风比条件下,小扩散角波形槽结构具有较高的平均气膜冷却效率。     

不同叶顶结构对燃气透平动叶顶部气膜冷却性能的影响

对不同叶顶结构的GE-E3叶片的气膜冷却现象进行了数值研究,比较了三种不同的叶顶结构：平顶、凹槽顶和平顶开槽孔结构在叶顶部的流动和冷却现象,并分析了吹风比对这三种结构的冷却性能的影响。发现凹槽顶和平顶开槽孔在结构上具有相似性;在叶顶开槽后,既降低了射流动量,又降低了顶端泄漏流速,有助于提高冷却效果,同时由于凹槽顶的槽比开槽孔的槽大,冷却气体和燃气在槽内充分混合,使得凹槽顶结构具有最高的冷却效率值和最低的换热系数值,平顶开槽孔结构次之。     

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.