2023年第38卷第12期文章目次

2023, 38(12):1.

[摘要](400) [HTML](0) [PDF 17.89 M](382)

摘要:
涡轮内部流动及冷却射流的湍流特性决定了气膜冷却具有强烈的非定常性，精确获取高时空分辨率的气膜冷却换热特性对揭示其内在机理尤为重要。本文针对气膜冷却的非定常测试需求，聚焦于气膜冷却中涉及的壁面气膜动态覆盖以及叶片表面温度测量，从测量原理、测试系统及实际应用方面依次介绍了两种气膜冷却非定常实验测量技术。基于快响应压敏漆能够测量涡轮叶片、叶身及端壁的非定常气膜冷却，进而利用高温磷光热图评估近发动机工况下高温叶片表面的动态温度分布。

2 气膜冷却对高压涡轮叶栅损失特性的影响研究

殷林林，张勇，郦志俊，马磊

2023, 38(12):13.

[摘要](272) [HTML](0) [PDF 7.41 M](308)

摘要:
为获得全气膜气冷涡轮叶栅的损失特性，采用试验及数值仿真方法，研究了不同冷气流量、不同叶栅出口马赫数条件下冷气射流对叶栅损失的影响。通过叶栅槽道静压云图及叶片表面压力分布等试验及数值仿真结果对比，验证了通冷气叶栅性能仿真分析方法的准确性。结果表明：同一冷气流量比下，通冷气叶栅能量损失系数随着马赫数的增大先减小后增大，在设计马赫数附近损失最低；通冷气叶栅能量损失系数随着冷气流量的增大而增大，且前后腔均通冷气时能量损失系数最大，前腔单独通冷气时能量损失系数最小；通冷气叶栅能量损失系数随着冷气与主流温比增大而增大。

3 双叉排孔脉动射流气膜冷却效率的实验与数值模拟研究

王宇清，王维，张祺，李法敬

2023, 38(12):21.

[摘要](201) [HTML](0) [PDF 12.75 M](285)

摘要:
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。

4 气膜孔位置对气冷凹腔支板冷却效果影响分析

回翔，龚旭龙，吴明昊，王祥和

2023, 38(12):29.

[摘要](269) [HTML](0) [PDF 15.78 M](315)

摘要:
为了解决一体化加力燃烧室中凹腔支板壁面温度过高的问题，提出了一种新的冷却结构方案，同时采用三维数值模拟方法针对不同气膜孔位置的结构模型进行计算，研究了气膜孔位置对额定工况下一体化加力燃烧室内气动热力性能的影响，重点研究了气膜孔位置对燃烧室内凹腔支板的引气率、壁面最高温度、后缘支板冷却效果等气动热力性能指标的影响。结果表明：引气率随着气膜孔位置靠后而线性增大且增长梯度逐渐减小，最大值相对于最小值增加了124.3%；后缘支板冷却效果随着气膜孔中心与来流方向所成角度α的增大不断上升，增大幅度为89.3%，冷却效果最终保持在0.35左右；随着气膜孔位置的不断后移，最高壁温不断降低且降幅不断放缓，最终最高温度保持在1 075 K左右；气膜孔不断后移的过程中，总压恢复系数不断降低。

5 低稠度涡轮导向叶片端壁高效气膜冷却特性研究

董奇，谭杰，张立琋，薛君

2023, 38(12):36.

[摘要](157) [HTML](0) [PDF 10.31 M](277)

摘要:
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%。

6 气膜孔布置对旋流双层壁结构流动传热特性影响研究

张建，郑群，曹福堃，姜玉廷

2023, 38(12):46.

[摘要](314) [HTML](0) [PDF 24.25 M](231)

摘要:
为了研究气膜孔复合角和孔排布方式对冲击诱导旋流气膜双层壁冷却流动与耦合传热的影响，采用流固耦合的数值计算方法，对不同吹风比下4种气膜孔复合角的综合冷却效率和射流流动结构进行了详细研究，同时研究了两种气膜孔排布方式对旋流双层壁结构流动和传热的影响，揭示了4种气膜孔复合角θ下射流空间旋涡的形成、发展和演化过程，并对比分析了不同吹风比下4种气膜孔复合角对面积平均综合冷却效率和总压损失系数的影响。结果表明：气膜孔排布方式不同时，气膜孔复合角对综合冷却效率的影响相差较大。吹风比为1.0时，单旋流交错排布方式下增大气膜孔复合角可以有效提高射流的展向覆盖范围，从而提高综合冷却效率，θ=30°时的面积平均综合冷却效率比θ=0°时高约14.22%；双旋流交错排布时θ=30°比θ=0°时的面积综合冷却效率提高约4.58%。吹风比增加到2.0时，由于射流穿透主流吹离了冷却壁面，降低了气膜保护效果，使得冷却壁面均匀性变差，并且双旋流交错排布时尤为明显。随着吹风比的增加，两种气膜孔排布方式的总压损失系数均呈指数形式增加。

7 带沟槽涡轮叶片颗粒沉积特性和气膜冷却性能研究

张昊苏，游学磊，陈辰霖，姜玉廷

2023, 38(12):57.

[摘要](376) [HTML](0) [PDF 17.86 M](248)

摘要:
为探究带沟槽叶片的颗粒沉积特性以及气膜冷却性能，以某型高压涡轮含有尾缘劈缝结构的涡轮叶片为原型，针对实际工况建立沉积模型，采用数值模拟方法研究了0<M≤2不同吹风比下沟槽结构对叶片表面颗粒沉积特性和叶片表面气膜冷却性能的影响规律。结果表明：沟槽结构提高了总碰撞效率，降低了总沉积效率，颗粒易沉积于气膜孔下游以外区域以及端壁两侧，沟槽导致压力面中后部颗粒沉积的区域增大；随着吹风比的增加，沟槽内部捕获效率提高，整体颗粒捕获效率降低，沟槽内部的气膜冷却性能不断下降，但沟槽下游部分区域的气膜冷却性能优于原始结构；沟槽的存在使下游附近沿展向的气膜覆盖区域变大，冷却性能提升，沿孔流向的展向平均气膜冷却效率最高可提升18%。

8 叶片不同孔排位置异形孔气膜冷却改进对比试验研究

张魏，刘传，刘松，李广超

2023, 38(12):68.

[摘要](173) [HTML](0) [PDF 7.87 M](254)

摘要:
为了探究多种异形孔在叶片上不同位置对气膜冷却改进效果的影响，通过红外测温技术对圆柱孔、水滴孔、圆锥孔和燕尾孔的气膜冷却效率进行了试验研究。结果表明：与圆柱孔相比较，位于压力面尾缘处的水滴孔增加了气膜覆盖长度，减小了气膜冷却效率沿着流向的衰减，3种吹风比(1.0,1.5和2.0)下气膜冷却效率增幅为45%~78%；位于压力面前缘处的圆锥孔增加了气膜在展向的覆盖宽度，对气膜覆盖长度的改善并不理想，吹风比越大气膜冷却效率提升越大，3种吹风比下气膜冷却效率增幅为37.9%~96.4%；位于吸力面鳃区的燕尾孔对气膜冷却效率的改进效果最明显，吹风比增大气膜的覆盖长度增加，3种吹风比下气膜冷却效率增幅为102.2%~302.2%。

9 冷却空气量对涡轮冷却性能影响综述

周旭，于子杰，韩蕊，董平

2023, 38(12):76.

[摘要](269) [HTML](0) [PDF 2.86 M](301)

摘要:
涡轮冷却技术被广泛应用于航空发动机及燃气轮机涡轮研发中，冷却空气的引气量成为影响整机效率的重要因素之一。本文基于现代燃气轮机及航空发动机涡轮叶片采用外部冷却与内部冷却结合的复合冷却的技术发展背景，综述了国内外在冷却空气量对涡轮叶片冷却性能影响方面的研究进展，分析并总结了冷却空气量对气膜冷却、交错肋冷却以及对综合冷却效率的影响规律，并对未来的研究方向给出了一定的建议。分析表明：对气膜孔形状的探索是未来气膜冷却技术研究的重点；交错肋研究主要处于定性研究阶段，对定量研究方法的探索是目前的发展趋势；对综合冷却效率的研究还处于起步阶段，未来可以从外部冷却和内部冷却之间的相互作用关系方面对综合冷却效率开展进一步的研究。

10 基于CFDDEM微细带肋内冷通道中颗粒沉积特性比较研究

孔德海，李心慧，牛夕莹，刘存良

2023, 38(12):84.

[摘要](225) [HTML](0) [PDF 9.27 M](246)

摘要:
航空发动机全天候全域长航时运行时，颗粒随着二次流空气系统进入到涡轮叶片内部，沉积堵塞在涡轮叶片内冷通道中，严重影响了涡轮叶片的冷却性能。本文采用计算流体力学和离散单元法（CFDDEM）相结合的方法研究了涡轮叶片带肋细小矩形内冷通道中微尘颗粒的流动和沉积特性。所研究的内冷通道肋片周期性布置在通道的一侧，肋片阻塞比和肋间距比分别为0.024和10，考虑了平行直肋、45°斜肋和45°V肋3种肋结构，详细分析了雷诺数、颗粒斯托克斯数、入口颗粒体积分数和肋片的类型对颗粒流动和沉积特性的影响规律。结果表明：颗粒沉积主要发生在第1根肋片的前缘处；颗粒的沉积质量均随着雷诺数、斯托克斯数和颗粒体积分数增加而减小；在所有的肋片类型中，直肋布置时颗粒沉积现象最明显，其次是V肋，斜肋拥有最小的颗粒沉积质量。

11 气冷涡轮转子变叶尖间距性能试验及数值研究

张勇，殷林林，陈云，刘建明

2023, 38(12):95.

[摘要](250) [HTML](0) [PDF 21.63 M](218)

摘要:
为量化评估工程应用的气冷低压涡轮带冠转子叶片的叶尖间距大小对涡轮气动性能的影响，综合现有涡轮部件试验能力，以单级轴流低压涡轮性能试验件为基础，通过控制圆度的机加方式磨削转子外环内壁以实现叶尖间距的变化，采用控制冷气流量比的方法，开展5次不同叶尖间距大小的涡轮级性能试验，得到多工况下涡轮效率、换算流量和换算功率等特性参数。采用加载冷气及考虑转子叶冠结构的数值模型进行三维仿真计算，并与试验结果对比分析。研究表明：叶尖间距由0.6 mm增加至3.2 mm，低压涡轮流通能力增大1%，叶冠泄漏量增多34%，但做功能力下降23%。涡轮效率变化与叶尖间距大小近似呈线性关系，叶尖间距每增加1 mm，效率约降低0.7%，同时，叶尖间距的增加导致了叶冠腔的旋涡结构、气流掺混及主流入侵强度逐渐增大，引起动叶总压损失的增大，叶尖间距增加至3.2 mm导致叶间位置总压损失由0.88增至2.3。

12 非均匀热负荷条件下的平板冲击冷却优化

陆成，胡凯斌，杨力

2023, 38(12):106.

[摘要](156) [HTML](0) [PDF 18.92 M](262)

摘要:
冲击冷却是涡轮冷却中常见的方式，其优化设计涉及多种几何参数，是典型的高维问题。在冲击冷却结构的设计过程中，需要根据涡轮的热负荷情况适应性地设计冷却结构，以提高综合冷却效率和表面温度的均匀性。实验或数值模拟耗时长且成本高，而代理模型可以快速预测结果，配合计算机自动寻优算法可显著提高设计效率和效果。为了降低优化设计的成本、提高优化过程的效率，以平板冲击冷却为研究对象，同时考虑非均匀热负荷的影响，通过数值模拟构建数据集，建立了基于迭代算子神经网络的代理模型，并使用遗传算法对斑状非均〖JP2〗匀热载荷条件下孔位置排布进行了优化。优化结果显示：对于优化潜力较低的结构，优化策略保持了靶板平均温度水平不变；对于优化潜力较高的结构，可以降低靶板平均温度约2.6 K；所研究各结构的表面温度标准差普遍降低70%以上。

13 高压涡轮工作叶片综合冷却效果试验研究

武峰，张魏，何洪斌，李广超

2023, 38(12):114.

[摘要](283) [HTML](0) [PDF 4.58 M](258)

摘要:
为探究不同气动参数对涡轮工作叶片冷却性能的影响，通过试验研究了中温中压工况下高压涡轮工作叶片综合冷却效果分布，主要讨论燃气与冷气的温比、冷气与燃气的质量流量比和栅后雷诺数对综合冷却效果的影响。试验温比变化范围为1.3~2.1，质量流量比变化范围为0.002~0.02，栅后雷诺数变化范围为2.9×105~4.8×105。结果表明：不同气动参数下，综合冷却效果较低位置出现在叶片前缘和尾缘，较高冷却效果出现在叶背1/4和1/2相对弧长位置；当质量流量比从0.008增加到0.014、温比分别为1.40，1.67和1.90时的综合冷却效果分别提高了44.4%，44.5%和34.4%；当温比从1.8增加到2.1、质量流量比为0.008，0.011和0.015时的综合冷却效果分别降低了3.6%，1.6%和4.2%；当栅后雷诺数从2.9×105增加到4.8×105、温比为0.011、质量流量比为167时，综合冷却效果降低了20.7%。

14 冷却通道参数对发汗冷却性能影响的数值研究

马鸿飞，杨元龙，孙海鸥，孙涛

2023, 38(12):121.

[摘要](262) [HTML](0) [PDF 13.28 M](281)

摘要:
为了解决传统多孔材料孔隙结构不可控的问题，制备具有可控微冷通道的冷却结构对提高涡轮叶片冷却效率有着重要意义。为了研究不同冷却通道参数对叶片发汗冷却效率的影响，通过数值模拟方法研究了不同注入比下，仿生树形通道和传统直孔通道发汗冷却多孔板的换热特性及流动机理。同时，研究了6种不同模型参数多孔板在不同注入比下的冷却性能及流场的变化情况。研究结果表明：在内表面比和冷却剂出口面积基本一致的条件下，仿生树形多孔板具有更高的冷却效率；当注入比为2%时，仿生树形多孔板的平均冷却效率提高了5%，且存在一个最佳的注入比使得整体的冷却效率最高；冷却剂的出口面积是影响发汗冷却效率的关键性独立参数，与冷却剂的注入比大小有关；孔隙率对整体的冷却效率影响较小，内表面积比越大，发汗冷却的整体冷却效率越高。

15 某燃气轮机涡轮叶片复合冷却结构优化设计

孙彦博，颜培刚，何建元，季晨

2023, 38(12):131.

[摘要](259) [HTML](0) [PDF 15.00 M](268)

摘要:
为了提高涡轮叶片设计效率，搭建了基于一维管网理论的iSIGHT优化设计平台，获得了叶片的优化结构，并对其进行三维仿真计算分析。研究表明：优化前后叶片的气动性能变化不大，总压损失仅在端壁处略有差别；优化后涡轮叶片的壁面温度分布更加均匀，壁面的最高温度降低，温度梯度减小，最大相对温差降低10%左右；在降低叶片热应力的同时相对冷却效率提高1.0%。

16 具有新型双层壁结构的透平叶片流热耦合研究

王辉辉，牛夕莹，邓清华，丰镇平

2023, 38(12):139.

[摘要](252) [HTML](0) [PDF 19.86 M](258)

摘要:
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。

17 船用燃气轮机预旋系统增压设计及仿真

李于来，李东明，刘宇，刘言明

2023, 38(12):149.

[摘要](278) [HTML](0) [PDF 9.64 M](290)

摘要:
为了提高船用燃气轮机进口燃气压力和温度，涡轮冷却空气应当具备更大的压力来满足叶片表面气膜冷却的需求。本文优化现有的预旋系统，通过在供气孔入口布置增压叶轮，减少气流经预旋喷嘴射入盘腔和经盘腔进入供气孔的突扩损失。运用数值计算的方法对预旋系统模型进行研究，所采用的计算模型和冷吹实验与1.0设计工况数据对比具有较好的精度。研究表明：增压预旋系统和常用预旋系统具有相似的流场结构，但预旋腔内形成的涡更小，有效抑制了气流在腔内的总压损失；在增压叶轮和结构改进的作用下，冷气相对总压提高2.90%，绝对总压提高4.59%，同时增压所产生的温升变化较小，提高了冷却空气的冷却能力。

18 基于响应面分析法的交叉肋参数对气动换热影响的研究

韩蕊，于子杰，周旭，董平

2023, 38(12):156.

[摘要](130) [HTML](0) [PDF 13.38 M](247)

摘要:
针对某型燃气轮机高压涡轮动叶内部交叉肋结构参数进行响应面优化设计(BoxBehnken Design，BBD)，得出目标函数对交叉肋各参数的敏感性，并对参数按照敏感性进行排序，找出影响交叉肋气热的主要参数，即肋倾角β，肋宽与肋间距之比w/t和进口雷诺数Re。使用响应面分析法探寻β，w/t和Re对目标函数Nu/Nu0， f/f0和综合换热因子TPF的影响规律。研究结果表明：肋倾角β从30°变化到80°时，Nu/Nu0降低了50%、 f/f0降低了45%、TPF降低了5%； Re从10 000变化到100 000时，Nu/Nu0提升了16%、 f/f0增大了30%、TPF增大了40%；w/t从05变化到2时，Nu/Nu0提升了40%、 f/f0增大了30%、TPF增大了8%。

19 扰流柱对间断交叉肋流动换热特性的影响研究

何永鑫，邹卓夫，陆松兵，姜玉廷

2023, 38(12):165.

[摘要](270) [HTML](0) [PDF 30.39 M](231)

摘要:
为了探究扰流柱对间断交叉肋通道流动与换热特性的影响，针对不同扰流柱数量和排布位置建立了不同的交叉肋模型，并通过数值模拟的方法，计算了各模型的阻力系数比、强化换热系数以及综合热效率3个性能指标的变化情况。研究结果表明：随着扰流柱数量的增大，阻力系数比和强化换热系数逐渐增大，而综合热效率不断下降；在进口雷诺数为20 000时，14柱模型与32柱模型相比，阻力系数比升高了15.4%，强化换热系数升高了32%，综合热效率提高了2.6%；将相同数量的扰流柱排布在通道内的不同位置对综合热效率的影响并不明显。

20 改用富氢燃料的F级燃气轮机热力性能与透平通流匹配

吴昊男，吕小静，翁一武，朱志劼

2023, 38(12):173.

[摘要](250) [HTML](0) [PDF 1.90 M](233)

摘要:
本研究旨在探究某型F级天然气重型燃气轮机在改用富氢燃料时的热力性能变化和通流匹配方案。建立了考虑透平逐级冷却的燃气轮机稳态热力模型，并用实际运行数据验证了模型的准确性。以此模型为基础计算了改用富氢燃料后该型燃气轮机在燃用不同含氢量的燃料时的热力性能和排放性能。针对出现的压气机和透平间的通流匹配问题，采用保持压气机参数不变、改变透平各级动静叶片安装角的方案，增加透平通流面积，并计算得到通流匹配后的燃气轮机性能。计算结果表明：随着燃料含氢量由0增加到100%时，达到相同透平入口温度时所需的燃料体积流量增加，透平中工质体积流量增加了2.65%，透平各级动静叶冷却效果降低，透平出口温度上升约15 K。在燃料含氢量分别为40%，70%，100%的情况下，氮氧化物的排放浓度分别增加了4.44，5.18，4.225 mg/m3；透平各级叶片安装角的变化整体分别在0.15°，0.37°，0.94°之内以达到通流匹配；燃气轮机的输出功率分别变化了0.39%，-0.23%，-1.56%；效率分别变化了0.02%，-0.41%，-1.4%。

21 IGCC系统空气分离集成对燃气轮机通流匹配约束影响研究

李永毅，唐苓芸，张磊，王雨田

2023, 38(12):182.

[摘要](236) [HTML](0) [PDF 3.29 M](252)

摘要:
为了探究燃气轮机在应用于IGCC系统时，由于空气分离（以下简称空分）集成方式与燃料热值变化引起的复杂约束问题，以某F级燃气轮机为基础，构建IGCC系统燃气轮机及空分系统性能模型，研究不同运行约束条件下空分集成方式对燃气轮机通流匹配的约束边界，确定了保持进口导叶IGV全开时空分整体化率和氮气回注率的可行域与燃气轮机性能的变化规律，并针对限制因素给出压气机的流量设计需求及改进后的性能对比。结果表明：保持透平进气温度稳定在设计值的情况下，可实现的最小空分整体化率为0.15；受合成气热值及空分系统集成方式的限制，压气机与透平流量的匹配约束使低整体化率与高回注率的组合无法实现；保持透平排气温度稳定在设计值可行域的范围有所扩大；可行域内，降低空分整体化率、提高氮气回注率均有助于提升燃气轮机性能；对改型前后的燃气轮机性能进行比较，独立空分-氮气不回注组合下燃机效率提高到35.2%；在氮气不回注与氮气完全回注时，独立空分相较于完全整体化空分组合燃气轮机效率分别高19.63%和15.91%。

2023年第38卷第12期文章目次

当期目录

年份

刊期

浏览排行

引用排行

下载排行