跨音高速旋转工况高压涡轮凹槽叶尖冷却实验研究

High Pressure turbine blade tip is one of the most vulnerable components among a commercial aircraft engine. Its cooling design plays an important role on the engine efficiency, maintenance cost, and life cycle. The proposed project is a combined experimental and CFD study which aims to investigate the squealer tip cooling at an engine realistic condition.Special attention will be paid on the transonic flow features within the over-tip-leakage flow, especially, shock waves and its interaction with the cooling injection. The effect of relative casing motion will be studied by building an experimental rig with a rotating casing. Full coverage of the tip heat transfer distribution will be captured by using transient Infrared thermography. Effects of rotating speed, blowing ratio, and tip gap height will be investigated in detail. CFD predictions will be valided against experimental results, and further efforts will be made to understand the transonic over tip leakage flow behavior behind the thermal performance. It is in the hope that the new understandings from the proposed project would lead to the right direction for an innovative squealer tip cooling design for the future commercial aircraft engine made in China.

高压涡轮动叶叶尖是航空发动机最易损坏的部分热端零件之一，其冷却设计直接关系到整机的效率、维护费用、寿命及安全。本项目将结合跨音风洞实验和CFD计算分析，以典型高压涡轮叶尖凹槽设计为研究对象,在接近发动机实际操作工况下，深入探索跨音流场中的冷却气流和泄漏流相互掺混及传热机理。针对发动机涡轮中的高速旋转效应，将设计建造高速旋转机匣实验台，研究机匣相对运动对叶尖热负荷及冷却效应的影响。机匣不同相对运动速度、不同冷气吹气比及不同叶尖间隙等因素对凹槽叶尖传热的影响在研究工作中将得到详细评估。不同实验条件下的高质量高分辨率凹槽叶尖表面传热分布云图将利用瞬态红外热成像技术获得。三维CFD模拟结果将与实验研究同步，与实验数据进行验证对比,并进一步探求造成传热变化的泄漏流气动源头。本项目的开展将有助于推动国产发动机叶尖冷却技术的改进与革新。

高压涡轮叶尖冷却技术是航空发动机的一大设计难点，直接关系到整机性能，可靠性及寿命。 本项目选取典型高压涡轮凹槽叶尖结构为研究对象，设计了多种不同形式叶尖冷却结构，以跨音速风洞试验以及CFD计算分析为研究手段，在接近发动机实际操作工况下，获得了高质量高分辨率的叶尖表面传热分布云图。以此为基础，深入的探索了跨音流场中的冷却气流与泄漏流相互掺混的过程以及传热机理。项目执行过程中，重点针对高速条件下非稳态换热测试技术的准确性做了深入的误差分析。对传热实验中涉及的温比模化国过程也做了深入探讨。项目通过数值模拟研究了高速旋转效应对叶尖冷却的影响，对其流动机理与实验台构建思路进行了细致分析。 本项目中成功调试了一套新型高速旋转机匣试验台，获得了典型高压涡轮动叶的叶尖温度场，初步研究了相对运动对叶尖热负荷的影响。本项目的开展，使得针对叶尖的试验研究手段更为准确，对于叶尖冷气与泄漏流的掺混及流动换热机理的理解更为深入，有助于推动国产发动机叶尖冷却技术的改进与革新。