透平動葉頂部間隙跨音流場對氣動傳熱的影響

《透平動葉頂部間隙跨音流場對氣動傳熱的影響》是依託上海交通大學，由張強擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：透平動葉頂部間隙跨音流場對氣動傳熱的影響
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：張強
• 依託單位：上海交通大學

項目摘要

本項目在接近航空發動機運轉工況的跨音速條件下對高壓透平級動葉葉尖泄漏流進行實驗研究。把高速風洞實驗、理論分析與高精度高解析度數值模擬緊密結合，著重研究跨音速下葉尖泄漏流特有的物理現象，如葉頂激波強度 ，位置，激波與邊界層相互作用機理，流體分離與再附等。在此基礎上，對跨音速泄漏流下游流場進行詳細測量，通過與低速下實驗結果的對比，進一步了解泄漏流的跨音速特性對動葉氣動性能和泄漏渦等的影響。研究中還將使用高解析度的紅外攝像技術，通過瞬態熱傳導原理來獲得葉尖表面傳熱係數及絕熱溫度。氣動傳熱實驗中將採用多種跨音速下的先進測試手段，所獲得的實驗數據將為高壓透平動葉葉尖設計提供有效的理論依據，為當前的數值模擬能力做出最直接有效的評估和校驗。

結題摘要

高壓渦輪葉尖為航空發動機最易損毀部位之一，其有效設計影響整機效率及壽命。本項目在接近航空發動機運轉工況的跨音速條件下，對高壓渦輪動葉葉尖泄漏流進行了實驗研究及數值模擬。實驗工作依託於上海交通大學密西根學院暫沖式跨音速風洞。通過高速平面葉柵實驗台，對跨音條件下瞬態傳熱實驗技術、高解析度的紅外攝像技術、數據分析方法作了深入探究。傳熱實驗中獲得了低速及跨音流場下兩種葉型的詳細葉尖傳熱雲圖及表面傳熱係數分布。實驗結果表明，跨音傳熱規律與低速結果有本質區別，激波對傳熱影響顯著。其他的實驗研究包括：對葉尖表面流動拓撲結構進行了油流顯示實驗研究，成功捕捉到了流體分離及激波位置；通過多孔探針掃描完成了葉尖泄漏流氣動損失測試。結合實驗結果，渦輪葉尖氣熱特性數值模擬得到了有效驗證。數值模擬工作分別對高低速下、葉片載荷分布變化下的葉尖泄漏流動氣熱特性做了深入探究。針對平葉尖、 凹槽葉尖進行了氣熱特性數值模擬研究。詳細分析了高速下凹槽葉尖泄漏流場結構和氣動損失分布。研究還發現，機匣相對運動對渦輪葉尖流場結構影響很大，改變了泄漏流動結構及損失分布。流場結構的改變勢必會對葉片傳熱分布產生影響，因而在後續研究中需要考慮機匣旋轉效應的影響。另外，本研究工作中發展了一種可用於高效準確處理瞬態傳熱試驗數據的新邊角導熱修正法。此修正法通過分析邊角二維導熱效應，修正後絕大部分表面傳熱係數誤差小於10%；新提出的方法快速、可靠、無需複雜CFD計算分析、節省實驗投入，具有很好的推廣性。