涡轮导向叶片表面换热的实验研究

涡轮导向叶片表面换热的实验研究

0齿轮叶片表面气膜冷却效率的研究进展随着航空发动机发动机前空气温度的增加，发动机叶片表面的冷却问题越来越受到重视。气膜冷却是航空发动机高温部件广泛采用的冷却技术之一。近年来,国内外在这一领域开展了广泛的研究,如早期Dring等在不同吹风比和密度比下对涡轮转子叶片表面气膜冷却效率进行的实验研究。Drost等采用液晶可视化技术研究了平板及涡轮叶片上的气膜冷却,发现涡轮叶片吸力面冷却效率高于压力面。向安定等对涡轮叶片表面不同区域气膜流量系数的研究和朱惠人等针对不同孔位进行的叶片表面气膜冷却换热研究等。但却很少看见关于涡轮叶片全气膜冷却的参考文献。为了研究涡轮叶片全气膜冷却的流动和换热特性,本文在不同的质流比和雷诺数的情况下,对叶片温度场进行了测量,以期能够了解全气膜冷却的换热特征。1实验模型和方法实验在大尺寸低速平面叶栅风洞中进行。试验段为静叶叶栅通道,其迎风横截面为30.0cm(高)×80.0cm(宽),内部安装有3只叶片,中间叶片为带前后腔体的实验叶片,其余2只叶片用于为实验叶片形成周期性边界条件,叶片按雷诺数相同进行放大,叶片的弦长389.89mm。实验叶片内部开有54排叉排气膜孔(如图1),其中前腔壁面:前缘8排,压力面6排,吸力面11排;后腔壁面:压力面15排,吸力面14排。其中孔排22~孔排31在叶高方向上与切平面夹角为30°并指向轴心,其孔径为2.9mm,沿叶高方向的间隔为20mm;其余孔排在轴向与切平面的夹角则为60°并指向叶片尾缘,孔径为2.3mm,沿叶高方向的间隔为30mm。叶片由有机玻璃加工制成,采用钢带加热,冷气由端壁下方进入叶片内部腔体,再从气膜孔流出,冷气流量采用浮子流量计和控制阀进行调节。实验中对前腔和后腔的冷却情况分开进行测量,即冷气每次只通入一个腔体,而另一腔体则封闭。叶片表面沿中截面布置有30对热电偶(外壁30个,内壁30个)测量内外壁温。实验工况参数定义:通道雷诺数Re=ρvd/μ,其中,v为主流速度;d为叶片弦长;质流比cm为冷气流与主流质量流量比值。雷诺数取值分别为150000、200000和230000,每个雷诺数下选定了3个质流比分别对叶片前腔和后腔的表面换热系数和冷却效率进行测量,其中质流比依次是1.83%、2.83%和3.83%。局部换热系数hf=(qw-qr-qc-qs)/(Tw-Taw),冷却效率ηt=(Taw-T∞)/Tc-T∞,其中,qw为电加热热流密度;qr、qc分别为叶片外壁的辐射损失热流和叶片外壁向内壁传导损失热流;qs为沿加热钢带导热的二维修正;Taw、T∞、Tc分别为叶片绝热壁温,主流温度和冷气流温度。2尾缘区域速度场不同时长涡轮叶片表面的换热和气膜冷却特性与叶栅和叶片表面的流动特性密切相关。图2给出了本试验不同雷诺数下叶片表面压力系数的分布情况。压力面:前缘区域(S/C<0.4)速度变化缓慢,而在中后段区域(S/C>0.4)速度迅速增大,只在尾缘附近稍有减缓。吸力面:从前缘区域开始加速流动,且加速度性能显著,直到中段区域(0.46<S/C<0.66)速度转而快速下降,之后趋于平缓,在(S/C<0.78)的区域内压力面的速度要明显大于吸力面的速度,当S/C>0.78时吸力面的速度要大于压力面的速度。2.1流比对最佳换能率影响图3为叶片前腔压力面和吸力面在不同质流比下局部换热系数分布情况。压力面:驻点之后主流的速度逐渐增大,和冷气流掺混加强,低质流比时刚好与边界层增厚对换热造成的削弱作用相抵,因此换热系数趋于平缓,在中质流比和高质流比的情况下,冷气流的流量和流速的增加使其对壁面的冲刷作用和对主流的扰动迅速增强,其对换热的增强作用超过由边界层增厚所引起的减弱作用,因而换热系数上升,但是高质流比冷气流穿透附面层进入主流的能力沿壁面也逐渐增强,进入主流后的这一部分冷气流对主流造成的扰动也逐渐远离壁面,导致该处边界层内的冷气流流量过小,削弱了对换热的增强作用,所以有些地方出现换热系数过低的情况。而吸力面上从叶片驻点附近开始,各质流比下换热系数都先迅速增加,这主要是由该区域主流处于加速区,而且冷气流穿越附面后对主流造成较大扰动所致;到S/C=0.1附近后转而逐渐降低,这主要是因为该区域流动边界层较薄,并且处于叶片的凸面,冷气流可轻易突破边界层进入较远的主流区,留于附面层内的流量很少,在较大顺压梯度的影响下,沿壁面这种趋势不断增强,再加上边界层的不断增厚,致使换热系数的逐渐下降;而在S/C=0.5以后,虽然主流开始减速,但由于上游进入主流的冷气流重新附着到壁面,因此换热系数又略有回升。图4为前腔吸力面和压力面气膜冷却效率随质流比分布情况。吸力面的冷却效果明显要好于压力面。吸力面:从驻点附近开始,边界层很薄,冷气流从气膜孔喷出后大部分穿透边界层而进入主流,因此,除孔排邻近区域气膜影响较大外其下游附近区域受其影响很小,造成气膜冷却效率偏低。随后边界层的不断增厚,冷气流穿透能力快速减弱,气膜对叶片表面的贴附性大大改善,故气膜冷却效率又随之迅速增强;在S/C≈0.15处,各质流比下气膜冷却效率都达到各自的峰值,并且中质流比下的数值最高。此后,由于冷气的不断叠加,使冷却效率保持在一定的范围内。压力面:从前缘开始,气膜冷却效率在低质流比时,先快速下降,再略有回升,最后又稍有回落,但变化幅度都不大;在中质流比和高质流比时,先较快下降,稍有回升后再快速回落,整体上呈下降趋势。图5为叶片后腔各质流比下换热系数分布情况,压力面:高质流比具有较高的换热系数,主流处于快速加速区,强化了二次流对壁面的冲刷作用,增强了扰动,导致换热系数先较快上升,S/C=0.6以后,主流流速已达到较大数值,二次流与主流掺混后反而使壁面附近气流流速降低,掺混减弱,导致换热系数逐渐降低。S/C=0.8以后,主流流速减缓,由于上游进入主流区域的二次流在该区域有一部分重新附着到壁面附近和边界层内的气流掺混,致使换热系数有所回升。吸力面:各质流比下换热系数分布也较为一致。从上游壁面开始,换热系数先快速下降,这可能是由于主流边界层该区段发生了分离,二次流随分离气流直接进入了主流区,壁面受其影响较小的结果;到S/C=0.76附近之后,由于二次流的喷射推动作用,并且其流量沿下游也不断积累,使主流边界层底层逐渐由近乎静止向下游开始加速流动,致使换热系数又开始逐渐回升;S/C=1以后,由于下游不再开有气膜孔排,换热系数转而逐渐下降,并且随质流比增大下降速度也随之加快。图6为后腔叶片表面的气膜冷却效率随质流比的变化。压力面:沿主流方向二次流依次从各孔排喷出而不断积累导致冷却效率不断上升。在S/C≈0.7之后的区域,随质流比的增加,冷气流穿透能力也不断增强,气膜冷却效率反而减小。因此冷却效果反而下降。吸力面:各质流比下气膜冷却效率沿流向平缓增加,这是由于此时边界层已完成转捩而发展为湍流边界层,虽然沿壁面二次流不断积累,但由于主流脉动较大,并不能很好地贴附于壁面,导致气膜冷却效率增加减缓,在S/C=1.1处,随着冷气流量的增加其动量也随之增加,使部分冷气流穿透边界层而进入主流,造成冷却效果的下降。2.2冷却效率与主流雷诺数的关系图7为Cm=3.83时叶片前腔换热系数随主流雷诺数的变化情况。随着雷诺数的增加,压力面和吸力面的总体换热系数都得到增加,但是在中雷诺数(Re=200000)和高雷诺数(Re=230000)压力面和吸力面的两条换热系数曲线非常接近(增加的幅度比较小)。同一雷诺数下沿着流动的方向吸力面换热系数先增大后减小,第一个测点处换热系数过低有可能出现了倒灌现象,主流气流进入气膜孔,减小了掺混效果;压力面的换热系数变化平缓。图8为Cm=3.83时叶片前腔冷却效率随主流雷诺数的变化情况。主流雷诺数对压力面和吸力面气膜冷却效率的影响很小,在相同雷诺数下,吸力面随着流动方向冷却效率先增大后趋于平稳。压力面沿着流动方向冷却效率逐渐降低。主流在吸力面上先加速后减速,在加速段使二次流更好地贴在壁面上,起到了很好的保护作用,所以冷却效率高,而后主流速度减缓,贴附作用减弱导致气膜冷却效率降低。气膜孔喷出的冷气叠加使压力面和吸力面的冷却效率减小速度明显变小了。图9为Cm=3.83时叶片后腔压力面,吸力面换热系数随主流雷诺数的变化情况。由图可知,在Cm=3.83时,高雷诺数对换热系数造成的影响逐渐变小。在相同的雷诺数下,后腔压力面的换热系数变化的趋势为先增大(S/C<0.6)后减小(S/C>0.6),吸力面换热系数波动很大。在图10中发现,当质流比一定时,主流雷诺数对气膜冷却效果的影响在大部分区域不大,在雷诺数相同的条件下,顺着流动的方向,压力面和吸力面的冷却效率都明显增大。出现上述现象主要原因:(1)在吸力面上的第一个测点位置,气流开始分离,但是冷气的喷射有效地抑制了气流的分离,使得该区域的换热明显增强。从第二个测点开始气流处于速度不稳定的区域,速度有所减小,而且气流发生强烈分离,因此换热强度有所降低,并沿流向出现较大的波动。压力面的形状有效控制了边界层分离,使冷气流在边界层内很好地掺混,所以换热系数逐渐地增强。(2)由于多排冷气孔的喷射,使沿着流动方向的冷气量逐渐叠加,起到了很好的冷却效果,所以气膜冷却效率升高。3无气膜时换热量q在实际的燃气涡轮叶栅中,气膜冷却一方面降低了燃气温度而减小了叶片表面的热负荷,一方面增加了换热系数而增大了叶片表面的热负荷,因此在实际应用当中要综合考虑冷却效率和换热系数来确定气膜冷却的实际冷却效果。无气膜时的换热量qw=h0(Tg-Tw),有气膜时换热量q′w=hf(Taw-Tw′),绝热壁温Taw=Tg-η(Tg-Tc),Tg为燃气温度,Tc为冷气温度,Tw为壁温,叶片表面热负荷相对减少量Δq=(qw-qw′)/qw×100%,假定Tg=1800K,Tc=800K,Tw=Tw′=1200K,无气膜时的换热系数本试验已经测出,利用总体的平均换热系数和冷却效率便可计算出。本文以叶片后腔压力面Re=200000,Cm=1.83、2.83、3.83的情况下计算得Δq分别为28%、16%、8%。数字表明气膜冷却使叶片在传热这个角度是受益的,其中以Cm=1.83受益最大。4不同热值小的冷却系统对冷暴力的影响通过对涡轮叶片进行全气膜冷却试验研究得出以下结论:(1)在相同质流比的条件下,随着雷诺数的增大,换热系数也相应地增大,但是当雷诺数