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高压涡轮叶顶激波与冷却射流相互作用的机理研究

批准号:
52106050
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
马海腾
依托单位:
学科分类:
内流流体力学
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
马海腾

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
高压涡轮动叶尖部的冷却设计对延长涡轮寿命、提高整机效率至关重要。随着高推重比航空发动机中涡轮级负荷的增加,叶片设计工况进入跨音状态,叶顶间隙内产生激波,叶尖泄漏的流热特性较亚声速状态发生质变。然而,当前跨音涡轮叶顶冷却的传热测试误差较大,缺少可靠的实验数据,因此对叶顶激波与冷气相互作用的机理缺乏理解。针对上述问题,本项目利用红外热成像技术,提出基于斜坡加热的瞬态传热测量新方法,降低跨音涡轮叶顶冷却的传热测试误差。基于此,获取高精度高分辨率的跨音叶尖冷却实验数据,实现精确捕获叶顶激波传热特征的目标。进而结合计算流体力学仿真与实验验证,分析叶顶间隙中激波与冷却射流相互作用的流动机理,揭示冷却射流涡系对叶顶激波和泄漏流边界层的作用机制,及其与叶顶激波传热足迹的联系,阐明冷却参数对叶顶激波流动和传热特征的影响规律。本项目可促进传热测试方法的发展,为高负荷涡轮叶顶的冷却设计提供理论支撑。
英文摘要
Cooling design of high-pressure turbine rotor blade tip is crucial to prolong turbine life and improve aero-engine efficiency. As turbine stage loading increases with the rise of thrust-to-weight ratio in modern aero-engines, the working condition of turbine blades becomes transonic, producing shock waves in rotor blade tip clearance, which qualitatively change aerothermal characteristics of tip leakage flow compared to that in subsonic regime. However, high-quality experimental data on transonic blade tip cooling are quite limited due to the large uncertainty associated with heat transfer measurement techniques, thus physical understanding about the interaction between overtip shock wave and cooling injection is still lacking. To address these issues, this project proposes a novel transient thermal measurement technique based on ramp heating and infrared thermography to reduce the uncertainty of transonic tip cooling data. As such, high-accuracy and high-resolution heat transfer experimental data on transonic tip cooling are obtained, based on which heat transfer signature of overtip shock wave can be identified. Furthermore, computational fluid dynamics is implemented and validated against heat transfer experimental data, in order to analyze the aerodynamic interaction between overtip shock wave and cooling injection. Impact of cooling injection vortices on shock wave-boundary layer interaction mechanism within tip clearance is demonstrated, along with its implications on heat transfer features of overtip shock wave. Influence of cooling design parameters on overtip shock wave structure and its heat transfer signature is also revealed. This project will contribute to the advancement of heat transfer measurement technique, as well as cooling design wisdoms in highly-loaded turbine blade tips.
高压涡轮动叶顶部的冷却设计对延长涡轮寿命、提高整机效率至关重要。随着高推重比航空发动机中涡轮级负荷的增加,叶片设计工况进入跨音状态,叶顶间隙内产生激波,叶顶泄漏的流热特性较亚声速状态发生质变。然而,当前的瞬态传热测量方法难以精确捕捉跨音速涡轮冷却中激波的传热特征,且跨音涡轮叶顶冷却的传热实验数据匮乏,导致冷却射流对叶顶激波传热足迹的作用规律尚不清楚,间隙中激波与冷气相互作用的复杂流动机理缺乏认识。鉴于此,本项目面向跨音速涡轮的气膜冷却,开发了基于斜坡加热的高精度瞬态传热测量新方法,解决了常规阶跃加热法中存在的欠采样问题,提高了数据拟合的鲁棒性,将实验精度提升一倍。此外,本项目发现、解决了跨音速流动中绝热冷却效率的瞬态传热测量方法所存在的问题,建立基于相似原理的评价准则,评估当前常用的两种瞬态传热测量方法,结果表明,线性回归法比双线性拟合法更加符合评价准则。进而,本项目在暂冲式风洞中开展基于红外热成像的瞬态传热测量,报道了跨音速条件下涡轮叶片平叶顶气膜冷却的传热实验数据。实验表明,冷气喷射显著改变了叶顶努塞数分布;特别是在叶片中后部的冷气孔之间,呈现出一道独特的低努塞数条纹,绝热冷却效率也有相应的条纹现象。为解释该独特现象背后的机理,本研究开展了数值仿真、验证、分析,发现冷气喷射彻底改变了叶片中后部的叶顶激波结构:无冷却平叶顶内的斜激波系,在冷气注入后变为两道垂直于泄漏流流向的正激波串,其产生的强逆压梯度导致叶顶边界层增厚,叶顶表面的摩擦系数和努塞数骤降。此外,本项目还揭示了超声速内流道中激波与气膜冷却的相互作用与调控机理,开发了基于激波风洞的高温高速内流测试新装置,发展了基于磁共振成像的涡轮叶片流动测试新方法,形成了基于气膜冷却的高超声速空气舵舵轴防热新技术。本项目为新一代高推重比航空发动机、宽速域/可重复使用空天飞行器的研制提供了理论支撑。
高超声速飞行器空气舵前缘的气膜冷却测试及流动传热机理研究
  • 批准号:
    --
  • 项目类别:
    省市级项目
  • 资助金额:
    0.0万元
  • 批准年份:
    2025
  • 负责人:
    马海腾
  • 依托单位:
跨声速内流中激波与气膜冷却的相互作用机理及气热一体化调控
  • 批准号:
    21ZR1431800
  • 项目类别:
    省市级项目
  • 资助金额:
    0.0万元
  • 批准年份:
    2021
  • 负责人:
    马海腾
  • 依托单位:
国内基金
海外基金