涡轮导向叶片表面换热特性实验研究

涡轮导向叶片表面换热特性实验研究

1叶片表面气膜冷却流程研究随着发动机前进口温度的增加，有效冷却发动机的高温部件变得越来越重要。最常用的方式是从压气机引出一股压缩空气,用于对涡轮叶片和涡轮导向叶片进行气膜冷却。目前这方面的研究已经得到广泛开展。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,Abhari和Epstein在气膜冷却条件下对一压比为4:1的单级跨声速涡轮转子叶片表面进行的非稳态换热实验研究,以及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。但近年来涉及完全覆盖的气膜冷却研究相对较少,Martiny等曾对一平板在完全气膜覆盖条件下的气膜有效度进行过实验研究,本文则在此背景下对完全气膜覆盖条件下涡轮静叶表面的换热特性开展了较为深入的实验研究,讨论了换热系数的分布特性。2气膜孔及试验设备实验在大尺寸低速平面叶栅风洞中进行。实验段为静叶叶栅通道,其迎风横截面为30.0cm(高)×80.0cm(宽),内部装有三个导向叶片,中间叶片为带前后腔体的实验叶片,用于换热测量,其余两个叶片均为实心叶片,用于为实验叶片形成周期性边界条件,栅距与叶片放大倍数相同,两个实心叶片外侧与通道壁面的距离均为1/2栅距。叶片弦长389.89mm,轴向弦长232.00mm。实验叶片内部含前后两个腔体,分别开有54排气膜孔,排列方式为叉排。其中前腔侧壁:前缘8排,压力面6排,吸力面11排;后腔侧壁:压力面15排,吸力面14排。叶片中截面气膜孔分布见图1,由于孔排数目较多,图中只标出了若干关键孔排的大致位置。其中孔排22~孔排29在叶高方向与切平面夹角为30°并指向轴心,其孔径为2.90mm,沿叶高方向间隔为20.00mm;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2.30mm,沿叶高方向间隔为30.00mm。实验测量叶片用有机玻璃加工制成,冷气由端壁下方进入叶片内部腔体,再从气膜孔流出,二次流流量由浮子流量计和控制阀调节。实验中对前腔、后腔的换热情况分开测量,即冷气每次只通入一个腔体,而另一个腔体则关闭。叶片表面用钢带加热,钢带厚0.04mm,宽85.00mm,以中截面为中心贴附于叶片表面,并在相应气膜孔处将其戳穿磨光以便冷气顺利流出。钢带内表面中截面附近沿弦向布置有31对热电偶,具体分布见表1,表中S/C代表测点距前缘驻点弧长与叶片弦长之比,负号表示压力面。同时,叶片空腔内壁也布有热电偶用于测量内壁壁温。实验中,有气膜时的局部换热系数采用下式计算:hf=(qw-qr-qc)/(Tw-Taw)。式中:qw为电加热热流密度,由测得的电压和电流计算;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,具体计算式为qr=ε·σ(Tw4-Ts4)、其中ε、σ、λ、δ分别为叶片表面黑度,黑体辐射常数,叶片导热系数和壁厚,Tw、Ts、Twi、Taw则分别为叶片外壁壁温,通道侧壁壁温,叶片内表面壁温和叶片外壁绝热壁温,虽然Taw在实验中无法直接测得,但是当主流和二次流的温度相同时绝热壁温与其相同,即Taw=T∞=Tc,T∞为主流温度,Tc为二次流温度。实验中通过此法进行表面换热系数测量。3u3000叶片表面流变学特性实验在不同的主流雷诺数Re和质流比Cm(二次流与主流质量流量比值)下进行。Re选取弦长为特征尺度,分别取150000、200000和230000,每个Re下选定三个质流比分别对叶片前腔和后腔的表面换热系数进行测量,其中前腔质流比依次为1.83%、2.83%和3.83%,后腔则为1.98%、2.98%、3.98%,下文中分别称为低质流比、中质流比和高质流比。涡轮叶片表面的气膜冷却特性与叶片表面的流动特性密切相关,图2给出了Re=200000时叶片表面压力系数和速度比的分布情况。速度比定义为U/U∞,其中U为叶片表面当地主流流速,U∞为叶片前方来流流速。从图中可以看出,在压力面一侧前缘区域(S/C<-0.40)速度变化缓慢,而在中后段区域(S/C>-0.40)速度迅速增大,只在尾缘附近稍有减缓;而在吸力面一侧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)又转而快速下降,之后趋于平缓。由此可见,吸力面流动变化要比压力面流动变化复杂。由于各主流雷诺数下,实验得到的叶片表面的换热规律基本相似,故本文仅以Re=200000时的情况进行分析和论述。3.1质流比对传热过程的影响图3为实验叶片前腔压力面在不同质流比下的换热分布图,其中图3(a)为局部换热系数分布图,图3(b)为有、无气膜孔出流时叶片表面换热系数比分布图。由图3(a)可知,从驻点附近开始,各质流比下换热系数都先较快下降,这是由于该区域主流在逆压梯度的影响下处于减速区,而且因气膜孔两端压差较小使该处二次流出气量较小,未对主流造成较大扰动,从而导致换热系数下降。之后,在顺压梯度的作用下沿壁面二次流对主流的扰动逐渐增强,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,近乎不变;中质流比时由于二次流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,因而换热系数略有上升;而高质流比时二次流流量和流速进一步增加,对壁面的冲刷作用进一步增强,使得前缘附近换热系数明显升高,但下游区域在顺压梯度的作用下二次流穿透附面层进入主流的能力沿壁面也逐渐增强,这使实际留于边界层内的二次流流量并不一定增加,而且进入主流后的这一部分二次流对主流造成的扰动也逐渐远离壁面,削弱了因二次流流量加大对换热的增强作用,从图中可以看出在距前缘较远的下游区域的换热系数曲线与中质流比时的近乎重合,有些地方甚至出现低于中质流比时数值的情况,这是由于该处留于边界层内的二次流流量过小引起的。总体看来,叶片表面相同测点处的换热系数随质流比的增加而增大,而且这种趋势在前缘附近更为明显。由图3(b)可知,整个测量区域换热系数比均大于1,而且前缘附近区域的数值明显高于下游区域;另外各质流比下在S/C=-0.16附近都达到最大值,这是由于该处二次流对主流的扰动最为剧烈,并且除中质流比与高质流比时在前缘下游壁面出现重合及交错外(原因与前相同),换热系数比基本上随质流比的增加而增强,说明二次流的存在及其流量的增大使该测量区段的换热系数普遍增加。图4为实验叶片前腔吸力面在不同质流比下的换热分布情况。从图中看,由叶片驻点附近开始,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在顺压梯度作用下处于加速区且二次流穿越附面层后对主流造成较大扰动所致;到S/C=0.10附近后换热系数逐渐降低,这主要是因为该区域流动边界层较薄且处于叶片凸面,二次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,而且与上文分析相似,在较大顺压梯度影响下,沿壁面这种趋势不断增强,再加上层流边界层不断增厚,致使换热系数逐渐下降;而在S/C=0.50以后,虽然主流开始减速,但由于上游进入主流的二次流重附于壁面,因此换热系数又略有回升。值得注意的是,在前缘附近,中质流比时的换热系数值要高于高质流比时的值,这主要是由于该处在高质流比时过多的二次流进入主流造成的;而在下游壁面区域,中质流比和低质流比时的曲线在几处近乎重合,这也是由于中质流比时该处留于边界层内的二次流流量偏小引起的。除以上几处外,其它各测点处的换热系数均随质流比的增加而增大。再由图4(b)可知,与压力面情况相似,各测点处的换热系数比均大于1,且吸力面前缘附近区域换热系数比提高得较为大些,同样说明二次流的存在增强了壁面的换热。3.2各质流比下的换热系数分布图5示出了后腔压力面的换热分布情况。由图5(a)可知,各质流比下换热系数分布基本相同。从压力面上游开始,由于该处主流处于快速加速区,使二次流对壁面的冲刷作用较为明显,同时二次流流量沿壁面不断积累,导致换热系数先较快上升;到达S/C=-0.60附近以后,换热系数开始逐渐降低,这是由于该区段主流流速已达到较大数值,二次流喷射速度开始逐渐低于主流流速,二次流与主流参混后使壁面附近气流流速降低所致;到S/C=-0.80以后,虽然已无气膜孔分布,且主流流速开始减缓,但由于上游进入主流区域的二次流在该区域有一部分重附于壁面,致使换热系数有所回升,而且高质流比时由于二次流流量较大增幅更为明显。同时,随着质流比的增大,各测点处的换热系数明显增大。由图5(b)可知,各质流比下各测点处的换热系数比值相差都不大,说明气膜对整个测量区域的影响较为均匀;另外,在中质流比和高质流比下各测点处的数值均大于1,而在低质流比时在测量区域的两端测点都存在比值小于1的情况,这说明这些区段在通入二次流后换热反被减弱,原因与前面相似,可能是由于此时这些测点附近二次流的喷射速度过小,与主流掺混后过多地降低了壁面附近气流流速,导致换热减弱。图6为后腔吸力面换热分布图,从图中看,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在该区段发生了分离,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,使二次流与主流掺混加剧且向下游开始加速流动,致使换热系数又开始逐渐回升;升至S/C=1.00以后,由于下游不再开有气膜孔排,换热系数转而逐渐下降,并且随着质流比的增大下降速度也随之加快,这主要是由于随着质流比的增大二次流中留于附面层内的流量比例随之下降的结果。由图6(b)可知,各测点的换热系数比值相差不大,且除低质流比时在S/C=0.76附近由于二次流直接进入主流区而接近1以外,其余区域及在其它质流比下均大于1,且随质流比的增大而增大。4质流比的影响(1)相同质流比下,换热系数在前腔压力面先减小后趋于平缓,在前腔吸力面先增大后减小,但波动都较大,