涡轮导向叶栅端壁气膜冷却传热特性实验研究

涡轮导向叶栅端壁气膜冷却传热特性实验研究

1分离叶片与叶片的气膜冷却在现代高性能航空发动机的设计中，发动机框架壁的冷却问题越来越受到重视。端壁附近强烈的三维流动如通道涡和马蹄涡等二次流现象,使得对这一区域的气膜冷却难以实施。Biesinger等在叶栅前缘上游端壁开设缝槽的气膜冷却实验中,发现冷气喷射可以减小二次流的强度。Friedrichs等对在叶栅通道中开设多排孔的端壁气膜冷却进行了气动和传热测量,发现冷气射流与二次流间的相互作用强烈,前缘根部和压力面附近区域难以得到有效冷却。文献的研究表明,在叶栅前缘上游端壁开设一到多排气膜孔,并以较高的吹风比喷射冷气的这种气膜冷却方式不但可以对整个端壁实现较好的冷却,而且能够有效地抑制通道二次流的形成和发展。文献也在前缘上游端壁开设了双排气膜孔并测量了冷却效率,发现在较高的冷气流量情况下整个端壁都可以得到均匀有效的冷气覆盖。为进一步理解前缘上游端壁气膜冷却的基本特性,本文在文献的基础上,从传热方面研究喷射角对端壁气膜冷却的影响,内容包括气膜冷却效率和换热系数的测量,并由此计算出叶栅实际工作状态下的端壁热负荷。2气膜孔板及冷却效率实验实验在大尺寸低速平面叶栅风洞中进行,文献对该风洞、叶型及冷气系统有详细描述。叶片弦长C为198mm,轴向弦长Cx为122mm,栅距P为160mm,叶高H为300mm。叶栅前缘上游端壁开有一排圆柱形气膜孔,气膜孔直径D为4mm,孔出口中心距叶片前缘距离为6.5D,孔间距3.15D。实验设计了喷射角为25°,35°和45°的不同气膜孔板。传热实验采用钢带加热法,并用热电偶采集温度数据,具体方法见文献。在气膜冷却效率实验中,冷气被加热到高于主流温度15℃左右,钢带和主流不加热;在换热系数实验中,钢带加热,冷气和主流都不加热。3确定相对热负荷实验在同一雷诺数下进行,基于弦长和来流速度的实验雷诺数为2.3×105。由于冷气与主流间的密度差异微小,吹风比BR定义为射流出口平均速度与来流速度间的比值。本文在喷射角为25°,35°和45°的不同情况下进行了实验,每个喷射角度下包括吹风比为1,2,3的3个工况。传热实验结果被分别整理为气膜冷却效率、换热系数比和热负荷。气膜冷却效率是绝热温比;换热系数比是有气膜冷却相对于无冷却时的换热系数比值;热负荷是穿过壁面的热流密度,它是有气膜冷却相对于无冷却时的热流密度比值,即相对热负荷,它们的具体定义见文献。其中热负荷的计算在本文中有所不同。引入一个无量纲温度θ,,将相对热负荷γ简化为:,其中为换热系数比,η为气膜冷却效率,tg为燃气温度,tc为冷气温度,tw为壁温。根据γ可进一步得到相对于没有冷却时的热负荷减小率ζ=1-γ。为了确定相对热负荷γ,必须给定无量纲温度θ。这个无量纲温度的确定依赖于叶栅的实际工作状态,在不同的情况下一般是不相同的。为便于分析讨论,本文取θ值为1.6,这个数值在实际的气膜冷却涡轮叶栅中具有代表性。4喷射角的影响文献详细介绍了喷射角为35°时的传热实验结果,本文将介绍在保持喷射距离和吹风比不变的情况下,喷射角从35°减小到25°和从35°增大到45°时,端壁气膜冷却效率、换热系数和热负荷的变化规律。由于低吹风比为1的情况下改变喷射角度的影响作用很小,这里主要介绍中高吹风比情况下的结果。4.1冷却效率分布25°喷射和45°喷射时的端壁气膜冷却效率分布如图1所示,35°喷射时的结果见文献,端壁总体平均结果见图4(a)。可以看到当喷射角为25°时,端壁面上大部分区域的冷却效率都在0.15左右,分布比较均匀,其中前缘进口区的冷却效率相对较高,达到了0.2以上,尾迹区的冷却效率相对较低,在0.1左右。与35°喷射时的结果相比,减小喷射角度主要使20%Cx截面之前的叶栅进口区的冷却效率有所增大,其它大部分区域的冷却效率基本保持不变,分布规律也没有改变。25°中吹风比喷射时的端壁总体平均冷却效率为0.165,高吹风比喷射时为0.192,比35°喷射分别提高了7.1%和9.1%。45°喷射时的端壁冷却效率分布的最大特点是在前半通道气流加速最大的吸力面附近,出现了一块局部冷却效率很低(小于0.1)的区域,冷气射流在这一区域脱离了端壁面,高吹风比情况下尤其明显。其它大部分区域的冷却效率分布均匀,数值保持在0.1～0.15之间,整体上比35°喷射时低。45°中吹风比和高吹风比喷射的端壁总体平均冷却效率为0.129和0.142,比35°喷射分别减小了16.2%和19.3%。4.2喷射角度对传热过程的影响25°喷射和45°喷射时的端壁换热系数比的分布如图2所示,端壁总体平均结果见图4(b)。可以看到25°喷射时,冷气喷射使叶栅进口吸力面附近区域和叶栅出口吸力面附近区域的换热系数相对于没有冷却时有很大的增长,进口区的最大增幅达到了100%,出口区的最大增幅达到了60%～80%。压力面附近区域和尾迹区的换热系数受冷气喷射的影响相对较小,增幅在10%左右。相对于35°喷射,减小喷射角度的主要作用体现在使进口附近区域的换热系数有较大幅度的提高。25°中吹风比和高吹风比喷射时的端壁总体平均换热系数比分别为1.31和1.43,比35°喷射分别提高了7.4%和3.6%。45°喷射对叶栅进口附近区域换热系数的影响相对于25°喷射要小得多,最大增幅只有40%～60%,但对出口区换热系数的影响仍然很大,最大增幅达60%～80%。分布规律与35°喷射时很接近。45°中吹风比喷射时的端壁总体平均换热系数比为1.22,与35°喷射时相当;高吹风比喷射的端壁总体平均换热系数比为1.36,比35°喷射时减小了1.4%。4.3喷射时热负荷的影响由上可知,改变喷射角度对壁面传热的影响是两方面的。以减小喷射角为例,一方面它使冷气射流更贴近端壁而增大了气膜冷却效率,有利于壁面冷却;另一方面它使壁面附近的气流速度更高,增大了壁面换热系数,不利于壁面冷却,其最终的冷却效果如何,则取决于穿过壁面的热流密度,即端壁热负荷。25°,35°和45°喷射时的端壁换热负荷分布如图3,端壁总体平均热负荷减小率见图4(c)。可以看到25°喷射只对前缘根部区域、压力面附近区域和尾缘下游区域的热负荷有10%左右的降低,在其它区域不但没有降低,反而使热负荷比没有冷却时还要高,特别是在叶栅出口吸力面附近,最大增幅达到了20%～30%。对应于中吹风比和高吹风比,端壁总体平均热负荷减小率只有3.9%和0.7%。相对于35°喷射,叶栅进口附近区域的端壁热负荷较高,其它区域基本上相同,因此在总体上25°喷射的冷却效果不如35°喷射。45°喷射时的端壁冷却效果非常差,由于冷气射流在前半通道吸力面附近脱离了端壁,使得这里的热负荷比没有冷却时增大了20%左右。叶栅出口吸力面附近区域的热负荷最大增幅达到了30%～40%。端壁上压力面附近区域的热负荷有10%～20%的降低,其它大部分区域的热负荷都有所增大。中吹风比喷射时端壁总体平均热负荷减小率为2.8%,高吹风比喷射时端壁总体平均热负荷减小率为-4.9%,表明端壁平均热负荷不但没有降低,反而有所提高,这在实际的冷却方案中是不应该出现的。5喷射角度对冷却效果的影响本文对前缘上游有单排气膜孔的涡轮导向叶栅端壁气膜冷却进行了传热实验,研究了喷射角对端壁气膜冷却效率、换热系数的影响,并在叶