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双肩壁凹槽叶顶冷却传热性能的优化研究

西安交通大学学报 2024年第1期58卷 68-80页

作者：秦正何坤晏鑫西安交通大学能源与动力工程学院西安710049

为改善航空发动机透平第一级凹槽叶顶的冷却传热性能,利用自编程序搭建了凹槽叶顶的优化设计平台。采用三阶多项式响应面模型和Hooke-Jeeves模式搜索算法的组合优化策略,获得了一种具有优良气热性能的透平级双肩臂凹槽叶顶结构,并将优... 详细信息

为改善航空发动机透平第一级凹槽叶顶的冷却传热性能,利用自编程序搭建了凹槽叶顶的优化设计平台。采用三阶多项式响应面模型和Hooke-Jeeves模式搜索算法的组合优化策略,获得了一种具有优良气热性能的透平级双肩臂凹槽叶顶结构,并将优化结果与传统凹槽叶顶、4种典型双肩臂凹槽叶顶的传热和冷却性能进行了对比,分析了内肩臂的几何参数对凹槽叶顶流场结构和冷却传热性能的影响,评估了双肩臂凹槽叶顶冷却传热性能对设计变量的敏感性。结果表明:优化后的内肩臂分为上下两层;合理的内肩臂几何参数可有效降低泄漏流的冲击作用,有利于冷却流在内外凹槽区域形成良好的覆盖;与传统凹槽叶顶相比,优化后的双肩臂凹槽叶顶的平均传热系数下降了24.96%,平均气膜冷却效率上升了5.38%;叶顶平均传热系数对内肩臂下层的高度最为敏感,叶顶平均气膜冷却效率对内肩臂上层的起始位置更加敏感,而内肩臂上层的高度对双肩臂凹槽叶顶的冷却传热性能影响相对较小。

关键词：航空发动机凹槽叶顶双肩壁优化传热冷却

吹风比和肋板对叶片尾缘开缝气膜冷却特性的影响

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西安交通大学学报 2024年第5期58卷 99-110页

作者：何坤王茜晏鑫西安交通大学能源与动力工程学院西安710049

为了阐明吹风比和肋板对燃气透平叶片尾缘开缝区域气膜冷却性能的影响,采用延迟-分离涡模拟方法求解了尾缘开缝模型的流量系数、非定常流场结构和气膜冷却效率,采用实验数据考核了延迟-分离涡模拟方法对流量系数和气膜冷却效率预测的有... 详细信息

为了阐明吹风比和肋板对燃气透平叶片尾缘开缝区域气膜冷却性能的影响,采用延迟-分离涡模拟方法求解了尾缘开缝模型的流量系数、非定常流场结构和气膜冷却效率,采用实验数据考核了延迟-分离涡模拟方法对流量系数和气膜冷却效率预测的有效性,获得了使尾缘开缝壁面气膜冷却效率最佳吹风比。结果表明:流量系数随吹风比增加而增大,但吹风比大于0.65后,流量系数几乎不受吹风比影响;在吹风比0.20~0.65范围内,尾缘开缝壁面气膜冷却效率随吹风比增加而增加;在吹风比0.80~1.25范围内,冷热气掺混剧烈,冷却效率略微下降;肋板结构增加了冷气通道的阻塞效应,并限制了开缝区域冷气旋涡的发展,导致展向涡提前扭曲、变形和分解;相对于无肋板结构,带肋尾缘开缝结构的流量系数下降了约5%,气膜冷却性能提升了约10.8%。开缝下游的旋涡脱落和冷热气流间的掺混是影响开缝壁面冷却效率的主要原因,综合考虑冷气消耗和气膜冷却效率,无肋板时最佳吹风比为0.65,带肋板时最佳吹风比为0.5。

关键词：航空发动机尾缘开缝肋板气膜冷却流量系数延迟-分离涡模拟

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气膜孔堵塞对凹槽叶顶冷却传热性能的影响

西安交通大学学报 2024年第6期58卷 139-152页

作者：徐柯文何坤晏鑫西安交通大学能源与动力工程学院西安710049

采用数值方法,研究了燃气透平叶片气膜孔堵塞条件下凹槽叶顶的冷却传热性能,获得了3种吹风比M=0.5, 1.0, 1.5和不同堵塞比B=0, 0.2, 0.4, 0.6, 0.8条件下的凹槽叶顶的气膜冷却效率和传热系数分布。研究表明:气膜孔堵塞会导致凹槽叶顶气... 详细信息

采用数值方法,研究了燃气透平叶片气膜孔堵塞条件下凹槽叶顶的冷却传热性能,获得了3种吹风比M=0.5, 1.0, 1.5和不同堵塞比B=0, 0.2, 0.4, 0.6, 0.8条件下的凹槽叶顶的气膜冷却效率和传热系数分布。研究表明:气膜孔堵塞会导致凹槽叶顶气膜冷却性能下降、热负荷升高,堵塞比越大,凹槽叶顶的冷却传热性能越差。气膜孔堵塞显著改变了叶顶区域的流场结构,加剧冷气的抬升效应,导致冷气过早离开凹槽。吹风比是影响堵塞工况下凹槽叶顶冷却传热性能的重要因素,吹风比为1.0、堵塞比为0.8时,凹槽叶顶的面积平均气膜冷却效率相比于未堵塞时下降了64.88%、传热系数上升了13.01%。减小吹风比可以改善小堵塞比工况下的叶顶气膜冷却性能,吹风比为0.5、堵塞比为0.4时,叶顶平均气膜冷却效率仅下降了6.82%,但小吹风比会导致大堵塞比工况下的气膜冷却性能恶化严重,吹风比为0.5、堵塞比为0.8时,平均气膜冷却效率下降了82.09%。增大吹风比,可改善大堵塞比工况下的叶顶气膜冷却性能,吹风比为1.5、堵塞比为0.8条件下叶顶平均气膜冷却效率下降了51.34%、传热系数上升了11.52%。

关键词：燃气透平凹槽叶顶气膜孔堵塞气膜冷却传热吹风比

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等离子体激励下的凹槽叶顶气膜冷却性能

西安交通大学学报 2024年第1期58卷 42-53页

作者：徐柯文何坤晏鑫西安交通大学能源与动力工程学院西安710049

通过将等离子体激励力耦合至雷诺时均NS方程组的动量方程中,数值研究了等离子体控制下的燃气透平凹槽叶顶的气膜冷却性能,分析等离子体激励强度、激励频率对凹槽叶顶气膜冷却效率和总压损失的影响,提出了一种改善凹槽底部冷却气膜覆盖... 详细信息

通过将等离子体激励力耦合至雷诺时均NS方程组的动量方程中,数值研究了等离子体控制下的燃气透平凹槽叶顶的气膜冷却性能,分析等离子体激励强度、激励频率对凹槽叶顶气膜冷却效率和总压损失的影响,提出了一种改善凹槽底部冷却气膜覆盖的非均匀等离子体控制策略,阐明了等离子体激励对叶顶间隙内冷热气流的作用机制。研究结果表明:凹槽下游等离子体激励可有效抑制上游冷气对下游冷气的卷吸,且抑制作用随着激励强度、激励频率的增加而增强。激励强度较小时,上游冷气未对下游冷气造成卷吸,尾缘处气膜冷却性能较好;随着激励强度增大,尾缘冷气被上游冷气吹离凹槽底部,但中部气膜冷却性能较好。激励强度Ds为204时,凹槽底部平均气膜冷却效率相比无激励时提升了25.11%。激励频率与激励强度对叶顶气膜冷却性能的影响规律类似。当激励强度Ds为156,激励频率Dθ为6.25和Dθ为8.75时,凹槽底部平均气膜冷却效率相比于无激励时分别提升了28.71%和29.27%。施加非均匀等离子体控制时,凹槽底部平均气膜冷却效率比无激励时提升了39.12%。施加等离子体激励后,叶栅总压损失几乎不变。

关键词：燃气透平凹槽叶顶等离子体激励气膜冷却

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含扭曲误差的鼓形斜齿轮接触分析

机械工程学报 2024年第3期60卷 143-154页

作者：杜彦斌汪澳婷何坤重庆工商大学智能装备绿色设计与制造重庆市重点实验室重庆400067 重庆机床(集团)有限责任公司重庆401336 重庆工商大学机械工程学院重庆400067

基于修形齿面的扭曲误差产生机理,推导出含扭曲误差的鼓形斜齿轮齿面数学方程;建立含扭曲误差的主动轮鼓形齿与未修形从动轮的轮齿接触分析(Tooth contact analysis,TCA)模型;并从计算齿面扭曲量的公式中选取螺旋角和修形量两个主要设... 详细信息

基于修形齿面的扭曲误差产生机理,推导出含扭曲误差的鼓形斜齿轮齿面数学方程;建立含扭曲误差的主动轮鼓形齿与未修形从动轮的轮齿接触分析(Tooth contact analysis,TCA)模型;并从计算齿面扭曲量的公式中选取螺旋角和修形量两个主要设计参数,分析其对传动误差和接触椭圆的影响规律。结果表明:齿向修形斜齿轮的修形量和螺旋角越大,齿面扭曲现象越严重;修形量和螺旋角增大使得传动误差幅值增大,影响传动平稳性;修形量对接触椭圆面积的影响小,而螺旋角增大,接触椭圆面积减小,使得接触应力增大,通过有限元分析验证螺旋角和修形量对齿面接触应力的影响;通过调整修形量和螺旋角可以控制扭曲量、传动误差幅值和接触椭圆面积,这对齿向修形斜齿轮的优化设计有较大的参考价值。

关键词：齿向修形齿面扭曲设计参数轮齿接触分析传动误差

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透平级小翼-凹槽叶顶冷却传热性能研究

工程热物理学报 2024年第2期45卷 401-409页

作者：吴琛琦秦正何坤晏鑫西安交通大学能源与动力工程学院陕西西安710049

采用数值方法研究了发动机工况下含内冷通道的透平级小翼-凹槽叶顶的冷却传热性能,分析了叶顶型式、吹风比对叶顶传热系数和气膜冷却效率分布的影响。结果表明:带压力侧小翼凹槽叶顶可有效消除叶顶刮削涡,改善凹槽底部冷气覆盖的均匀性... 详细信息

采用数值方法研究了发动机工况下含内冷通道的透平级小翼-凹槽叶顶的冷却传热性能,分析了叶顶型式、吹风比对叶顶传热系数和气膜冷却效率分布的影响。结果表明:带压力侧小翼凹槽叶顶可有效消除叶顶刮削涡,改善凹槽底部冷气覆盖的均匀性;相对于传统凹槽叶顶,带压力侧小翼凹槽叶顶的面积平均传热系数减小11.11%、气膜冷却效率增大4.54%。吹风比从1增大到2时,带压力侧小翼凹槽叶顶面积平均传热系数减小48.96%、气膜冷却效率增大154.01%。

关键词：凹槽叶顶小翼传热气膜冷却吹风比

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带球窝结构的尾缘开缝壁面气膜冷却特性研究

西安交通大学学报 2024年

作者：何坤王茜晏鑫西安交通大学能源与动力工程学院

为提升燃气透平叶片尾缘开缝区域的气膜冷却性能，将多排球窝结构应用于尾缘冷却通道下游开缝壁面，以增加近壁面区域的冷气覆盖。采用非定常延迟-分离涡模拟（DDES）方法，研究了有、无球窝结构下尾缘开缝壁面的气膜冷却性能，获得了4... 详细信息

为提升燃气透平叶片尾缘开缝区域的气膜冷却性能，将多排球窝结构应用于尾缘冷却通道下游开缝壁面，以增加近壁面区域的冷气覆盖。采用非定常延迟-分离涡模拟（DDES）方法，研究了有、无球窝结构下尾缘开缝壁面的气膜冷却性能，获得了4种吹风比、3种球窝高径比以及2种球窝结构（球形球窝和泪滴型球窝）条件下尾缘开缝壁面的气膜冷却性能和流量系数，并利用已有实验数据考核了数值方法的有效性，阐明了球窝结构减小冷热气流掺混、改善尾缘开缝区域气膜冷却性能的作用机制。结果表明：球窝结构有利于冷气向壁面附近聚集，使得冷气不易被主流卷起，减小了冷热气流掺混，有效增加了开缝壁面沿流向的气膜覆盖面积；相对于光滑尾缘开缝模型（无球窝结构），带球形球窝结构的尾缘开缝模型流量系数增大了4.8%～6%，平均气膜冷却效率提高了4.6%～19%；吹风比越大，球窝结构对冷气的吸附作用越显著，带球窝结构的尾缘开缝壁面平均气膜冷却效率越高；球窝高径比越大，尾缘开缝壁面的气膜冷却效率越高且分布越均匀。泪滴形球窝可有效解决球形球窝内壁前缘冷却不足问题：相对于带球形球窝结构的尾缘开缝，带泪滴形球窝结构的尾缘开缝壁面的冷却效率提高了8.2%、流量系数提高了1.1%。

关键词：航空发动机尾缘开缝球窝气膜冷却流量系数延迟-分离涡模拟

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透平级小翼-凹槽叶顶耦合传热性能研究

工程热物理学报 2024年第7期45卷 1960-1969页

作者：吴琛琦李浩玉何坤晏鑫西安交通大学能源与动力工程学院西安710049

采用耦合传热方法研究了透平级小翼-凹槽叶顶的冷却传热性能,分析了耦合传热对两种凹槽叶顶(传统凹槽叶顶和带压力侧小翼凹槽叶顶)和动叶表面的传热系数、净热量减小量和气膜冷却效率分布的影响。结果表明:耦合传热对凹槽叶顶和动叶表... 详细信息

采用耦合传热方法研究了透平级小翼-凹槽叶顶的冷却传热性能,分析了耦合传热对两种凹槽叶顶(传统凹槽叶顶和带压力侧小翼凹槽叶顶)和动叶表面的传热系数、净热量减小量和气膜冷却效率分布的影响。结果表明:耦合传热对凹槽叶顶和动叶表面的冷却传热性能有显著影响。与纯流动区域计算结果相比:考虑耦合传热时传统凹槽叶顶面积平均传热系数增大了6.26%、带压力侧小翼凹槽叶顶面积平均传热系数减小了1.67%;考虑耦合传热时带压力侧小翼凹槽叶顶的动叶压力面平均传热系数增大了23.73%、吸力面平均传热系数增大了2.18%。叶顶结构对叶片表面的冷却传热性能影响较小。

关键词：凹槽叶顶小翼耦合传热气膜冷却

双层翼型直叶片垂直轴风力机动态气动特性研究

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华中科技大学学报(自然科学版) 2024年第7期52卷 145-150页

作者：李寿图何坤雲岳念西李晔兰州理工大学能源与动力工程学院上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院

为进一步提高直叶片垂直轴风力机在大攻角状态下的气动性能，考虑双层翼型相互作用对翼型边界层状态的影响，基于数值模拟和正交实验方法，研究了双层翼型主要结构参数对直叶片垂直轴风力机动态气动特性的影响．结果表明：双层翼型间距... 详细信息

为进一步提高直叶片垂直轴风力机在大攻角状态下的气动性能，考虑双层翼型相互作用对翼型边界层状态的影响，基于数值模拟和正交实验方法，研究了双层翼型主要结构参数对直叶片垂直轴风力机动态气动特性的影响．结果表明：双层翼型间距是影响垂直轴风力机气动性能的主要原因；在最佳翼型间距与叶尖速比下，内层翼型对直叶片垂直轴风力机的扭矩系数平均贡献度约为29.5%，外层翼型对直叶片垂直轴风力机整体的扭矩系数平均贡献度提高了6.9%；双层翼型垂直轴风力机的内层翼型在提供扭矩系数的同时，也改善了外层翼型的流场特性；内外层翼型的相互作用能够有效增强直叶片垂直轴风力机的气动性能，双层翼型翼缝结构有助于提高流体动能，当叶尖速比为3时，翼型压力面尾缘附近流速最大提高约11%，进而使内外层翼型压力面和吸力面之间的压差增加，有效抑制了内外层翼型吸力面的边界层分离．

关键词：垂直轴风力机双层翼型气动特性数值模拟正交实验