渦輪導向葉片表面換熱的實驗研究

渦輪導向葉片表面換熱的實驗研究

0齒輪葉片表面氣膜冷卻效率的研究進展隨著航空發(fā)動機發(fā)動機前空氣溫度的增加，發(fā)動機葉片表面的冷卻問題越來越受到重視。氣膜冷卻是航空發(fā)動機高溫部件廣泛采用的冷卻技術(shù)之一。近年來,國內(nèi)外在這一領(lǐng)域開展了廣泛的研究,如早期Dring等在不同吹風比和密度比下對渦輪轉(zhuǎn)子葉片表面氣膜冷卻效率進行的實驗研究。Drost等采用液晶可視化技術(shù)研究了平板及渦輪葉片上的氣膜冷卻,發(fā)現(xiàn)渦輪葉片吸力面冷卻效率高于壓力面。向安定等對渦輪葉片表面不同區(qū)域氣膜流量系數(shù)的研究和朱惠人等針對不同孔位進行的葉片表面氣膜冷卻換熱研究等。但卻很少看見關(guān)于渦輪葉片全氣膜冷卻的參考文獻。為了研究渦輪葉片全氣膜冷卻的流動和換熱特性,本文在不同的質(zhì)流比和雷諾數(shù)的情況下,對葉片溫度場進行了測量,以期能夠了解全氣膜冷卻的換熱特征。1實驗?zāi)Ｐ秃头椒▽嶒炘诖蟪叽绲退倨矫嫒~柵風洞中進行。試驗段為靜葉葉柵通道,其迎風橫截面為30.0cm(高)×80.0cm(寬),內(nèi)部安裝有3只葉片,中間葉片為帶前后腔體的實驗葉片,其余2只葉片用于為實驗葉片形成周期性邊界條件,葉片按雷諾數(shù)相同進行放大,葉片的弦長389.89mm。實驗葉片內(nèi)部開有54排叉排氣膜孔(如圖1),其中前腔壁面:前緣8排,壓力面6排,吸力面11排;后腔壁面:壓力面15排,吸力面14排。其中孔排22~孔排31在葉高方向上與切平面夾角為30°并指向軸心,其孔徑為2.9mm,沿葉高方向的間隔為20mm;其余孔排在軸向與切平面的夾角則為60°并指向葉片尾緣,孔徑為2.3mm,沿葉高方向的間隔為30mm。葉片由有機玻璃加工制成,采用鋼帶加熱,冷氣由端壁下方進入葉片內(nèi)部腔體,再從氣膜孔流出,冷氣流量采用浮子流量計和控制閥進行調(diào)節(jié)。實驗中對前腔和后腔的冷卻情況分開進行測量,即冷氣每次只通入一個腔體,而另一腔體則封閉。葉片表面沿中截面布置有30對熱電偶(外壁30個,內(nèi)壁30個)測量內(nèi)外壁溫。實驗工況參數(shù)定義:通道雷諾數(shù)Re=ρvd/μ,其中,v為主流速度;d為葉片弦長;質(zhì)流比cm為冷氣流與主流質(zhì)量流量比值。雷諾數(shù)取值分別為150000、200000和230000,每個雷諾數(shù)下選定了3個質(zhì)流比分別對葉片前腔和后腔的表面換熱系數(shù)和冷卻效率進行測量,其中質(zhì)流比依次是1.83%、2.83%和3.83%。局部換熱系數(shù)hf=(qw-qr-qc-qs)/(Tw-Taw),冷卻效率ηt=(Taw-T∞)/Tc-T∞,其中,qw為電加熱熱流密度;qr、qc分別為葉片外壁的輻射損失熱流和葉片外壁向內(nèi)壁傳導損失熱流;qs為沿加熱鋼帶導熱的二維修正;Taw、T∞、Tc分別為葉片絕熱壁溫,主流溫度和冷氣流溫度。2尾緣區(qū)域速度場不同時長渦輪葉片表面的換熱和氣膜冷卻特性與葉柵和葉片表面的流動特性密切相關(guān)。圖2給出了本試驗不同雷諾數(shù)下葉片表面壓力系數(shù)的分布情況。壓力面:前緣區(qū)域(S/C<0.4)速度變化緩慢,而在中后段區(qū)域(S/C>0.4)速度迅速增大,只在尾緣附近稍有減緩。吸力面:從前緣區(qū)域開始加速流動,且加速度性能顯著,直到中段區(qū)域(0.46<S/C<0.66)速度轉(zhuǎn)而快速下降,之后趨于平緩,在(S/C<0.78)的區(qū)域內(nèi)壓力面的速度要明顯大于吸力面的速度,當S/C>0.78時吸力面的速度要大于壓力面的速度。2.1流比對最佳換能率影響圖3為葉片前腔壓力面和吸力面在不同質(zhì)流比下局部換熱系數(shù)分布情況。壓力面:駐點之后主流的速度逐漸增大,和冷氣流摻混加強,低質(zhì)流比時剛好與邊界層增厚對換熱造成的削弱作用相抵,因此換熱系數(shù)趨于平緩,在中質(zhì)流比和高質(zhì)流比的情況下,冷氣流的流量和流速的增加使其對壁面的沖刷作用和對主流的擾動迅速增強,其對換熱的增強作用超過由邊界層增厚所引起的減弱作用,因而換熱系數(shù)上升,但是高質(zhì)流比冷氣流穿透附面層進入主流的能力沿壁面也逐漸增強,進入主流后的這一部分冷氣流對主流造成的擾動也逐漸遠離壁面,導致該處邊界層內(nèi)的冷氣流流量過小,削弱了對換熱的增強作用,所以有些地方出現(xiàn)換熱系數(shù)過低的情況。而吸力面上從葉片駐點附近開始,各質(zhì)流比下?lián)Q熱系數(shù)都先迅速增加,這主要是由該區(qū)域主流處于加速區(qū),而且冷氣流穿越附面后對主流造成較大擾動所致;到S/C=0.1附近后轉(zhuǎn)而逐漸降低,這主要是因為該區(qū)域流動邊界層較薄,并且處于葉片的凸面,冷氣流可輕易突破邊界層進入較遠的主流區(qū),留于附面層內(nèi)的流量很少,在較大順壓梯度的影響下,沿壁面這種趨勢不斷增強,再加上邊界層的不斷增厚,致使換熱系數(shù)的逐漸下降;而在S/C=0.5以后,雖然主流開始減速,但由于上游進入主流的冷氣流重新附著到壁面,因此換熱系數(shù)又略有回升。圖4為前腔吸力面和壓力面氣膜冷卻效率隨質(zhì)流比分布情況。吸力面的冷卻效果明顯要好于壓力面。吸力面:從駐點附近開始,邊界層很薄,冷氣流從氣膜孔噴出后大部分穿透邊界層而進入主流,因此,除孔排鄰近區(qū)域氣膜影響較大外其下游附近區(qū)域受其影響很小,造成氣膜冷卻效率偏低。隨后邊界層的不斷增厚,冷氣流穿透能力快速減弱,氣膜對葉片表面的貼附性大大改善,故氣膜冷卻效率又隨之迅速增強;在S/C≈0.15處,各質(zhì)流比下氣膜冷卻效率都達到各自的峰值,并且中質(zhì)流比下的數(shù)值最高。此后,由于冷氣的不斷疊加,使冷卻效率保持在一定的范圍內(nèi)。壓力面:從前緣開始,氣膜冷卻效率在低質(zhì)流比時,先快速下降,再略有回升,最后又稍有回落,但變化幅度都不大;在中質(zhì)流比和高質(zhì)流比時,先較快下降,稍有回升后再快速回落,整體上呈下降趨勢。圖5為葉片后腔各質(zhì)流比下?lián)Q熱系數(shù)分布情況,壓力面:高質(zhì)流比具有較高的換熱系數(shù),主流處于快速加速區(qū),強化了二次流對壁面的沖刷作用,增強了擾動,導致?lián)Q熱系數(shù)先較快上升,S/C=0.6以后,主流流速已達到較大數(shù)值,二次流與主流摻混后反而使壁面附近氣流流速降低,摻混減弱,導致?lián)Q熱系數(shù)逐漸降低。S/C=0.8以后,主流流速減緩,由于上游進入主流區(qū)域的二次流在該區(qū)域有一部分重新附著到壁面附近和邊界層內(nèi)的氣流摻混,致使換熱系數(shù)有所回升。吸力面:各質(zhì)流比下?lián)Q熱系數(shù)分布也較為一致。從上游壁面開始,換熱系數(shù)先快速下降,這可能是由于主流邊界層該區(qū)段發(fā)生了分離,二次流隨分離氣流直接進入了主流區(qū),壁面受其影響較小的結(jié)果;到S/C=0.76附近之后,由于二次流的噴射推動作用,并且其流量沿下游也不斷積累,使主流邊界層底層逐漸由近乎靜止向下游開始加速流動,致使換熱系數(shù)又開始逐漸回升;S/C=1以后,由于下游不再開有氣膜孔排,換熱系數(shù)轉(zhuǎn)而逐漸下降,并且隨質(zhì)流比增大下降速度也隨之加快。圖6為后腔葉片表面的氣膜冷卻效率隨質(zhì)流比的變化。壓力面:沿主流方向二次流依次從各孔排噴出而不斷積累導致冷卻效率不斷上升。在S/C≈0.7之后的區(qū)域,隨質(zhì)流比的增加,冷氣流穿透能力也不斷增強,氣膜冷卻效率反而減小。因此冷卻效果反而下降。吸力面:各質(zhì)流比下氣膜冷卻效率沿流向平緩增加,這是由于此時邊界層已完成轉(zhuǎn)捩而發(fā)展為湍流邊界層,雖然沿壁面二次流不斷積累,但由于主流脈動較大,并不能很好地貼附于壁面,導致氣膜冷卻效率增加減緩,在S/C=1.1處,隨著冷氣流量的增加其動量也隨之增加,使部分冷氣流穿透邊界層而進入主流,造成冷卻效果的下降。2.2冷卻效率與主流雷諾數(shù)的關(guān)系圖7為Cm=3.83時葉片前腔換熱系數(shù)隨主流雷諾數(shù)的變化情況。隨著雷諾數(shù)的增加,壓力面和吸力面的總體換熱系數(shù)都得到增加,但是在中雷諾數(shù)(Re=200000)和高雷諾數(shù)(Re=230000)壓力面和吸力面的兩條換熱系數(shù)曲線非常接近(增加的幅度比較小)。同一雷諾數(shù)下沿著流動的方向吸力面換熱系數(shù)先增大后減小,第一個測點處換熱系數(shù)過低有可能出現(xiàn)了倒灌現(xiàn)象,主流氣流進入氣膜孔,減小了摻混效果;壓力面的換熱系數(shù)變化平緩。圖8為Cm=3.83時葉片前腔冷卻效率隨主流雷諾數(shù)的變化情況。主流雷諾數(shù)對壓力面和吸力面氣膜冷卻效率的影響很小,在相同雷諾數(shù)下,吸力面隨著流動方向冷卻效率先增大后趨于平穩(wěn)。壓力面沿著流動方向冷卻效率逐漸降低。主流在吸力面上先加速后減速,在加速段使二次流更好地貼在壁面上,起到了很好的保護作用,所以冷卻效率高,而后主流速度減緩,貼附作用減弱導致氣膜冷卻效率降低。氣膜孔噴出的冷氣疊加使壓力面和吸力面的冷卻效率減小速度明顯變小了。圖9為Cm=3.83時葉片后腔壓力面,吸力面換熱系數(shù)隨主流雷諾數(shù)的變化情況。由圖可知,在Cm=3.83時,高雷諾數(shù)對換熱系數(shù)造成的影響逐漸變小。在相同的雷諾數(shù)下,后腔壓力面的換熱系數(shù)變化的趨勢為先增大(S/C<0.6)后減小(S/C>0.6),吸力面換熱系數(shù)波動很大。在圖10中發(fā)現(xiàn),當質(zhì)流比一定時,主流雷諾數(shù)對氣膜冷卻效果的影響在大部分區(qū)域不大,在雷諾數(shù)相同的條件下,順著流動的方向,壓力面和吸力面的冷卻效率都明顯增大。出現(xiàn)上述現(xiàn)象主要原因:(1)在吸力面上的第一個測點位置,氣流開始分離,但是冷氣的噴射有效地抑制了氣流的分離,使得該區(qū)域的換熱明顯增強。從第二個測點開始氣流處于速度不穩(wěn)定的區(qū)域,速度有所減小,而且氣流發(fā)生強烈分離,因此換熱強度有所降低,并沿流向出現(xiàn)較大的波動。壓力面的形狀有效控制了邊界層分離,使冷氣流在邊界層內(nèi)很好地摻混,所以換熱系數(shù)逐漸地增強。(2)由于多排冷氣孔的噴射,使沿著流動方向的冷氣量逐漸疊加,起到了很好的冷卻效果,所以氣膜冷卻效率升高。3無氣膜時換熱量q在實際的燃氣渦輪葉柵中,氣膜冷卻一方面降低了燃氣溫度而減小了葉片表面的熱負荷,一方面增加了換熱系數(shù)而增大了葉片表面的熱負荷,因此在實際應(yīng)用當中要綜合考慮冷卻效率和換熱系數(shù)來確定氣膜冷卻的實際冷卻效果。無氣膜時的換熱量qw=h0(Tg-Tw),有氣膜時換熱量q′w=hf(Taw-Tw′),絕熱壁溫Taw=Tg-η(Tg-Tc),Tg為燃氣溫度,Tc為冷氣溫度,Tw為壁溫,葉片表面熱負荷相對減少量Δq=(qw-qw′)/qw×100%,假定Tg=1800K,Tc=800K,Tw=Tw′=1200K,無氣膜時的換熱系數(shù)本試驗已經(jīng)測出,利用總體的平均換熱系數(shù)和冷卻效率便可計算出。本文以葉片后腔壓力面Re=200000,Cm=1.83、2.83、3.83的情況下計算得Δq分別為28%、16%、8%。數(shù)字表明氣膜冷卻使葉片在傳熱這個角度是受益的,其中以Cm=1.83受益最大。4不同熱值小的冷卻系統(tǒng)對冷暴力的影響通過對渦輪葉片進行全氣膜冷卻試驗研究得出以下結(jié)論:(1)在相同質(zhì)流比的條件下,隨著雷諾數(shù)的增大,換熱系數(shù)也相應(yīng)地增大,但是當雷諾數(shù)