姚韻嘉,祝培源,陶志,宋立明,李軍

(西安交通大學(xué)葉輪機(jī)械研究所,710049,西安)

由于端壁區(qū)域存在大范圍的、復(fù)雜的三維二次流結(jié)構(gòu),成為燃?xì)廨啓C(jī)內(nèi)部流動(dòng)傳熱機(jī)理最復(fù)雜的區(qū)域之一。燃?xì)馔钙竭M(jìn)口溫度不斷增加,燃燒室出口溫度分布也越來(lái)越扁平[1],上游間隙對(duì)端壁氣膜冷卻性能的影響愈發(fā)嚴(yán)重。

針對(duì)上游間隙射流對(duì)于端壁氣膜冷卻性能的影響,Thole等對(duì)存在上游間隙射流時(shí),葉片端壁氣膜有效度分布進(jìn)行了詳細(xì)測(cè)量,結(jié)果表明,受到端壁二次流的影響,氣膜主要覆蓋在通道前部并靠近葉片吸力面?zhèn)萚2]。Burd等實(shí)驗(yàn)研究了上游間隙射流對(duì)高壓透平導(dǎo)葉端壁流動(dòng)結(jié)構(gòu)、氣膜冷卻效率以及傳熱特性的影響,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,間隙射流質(zhì)量流量較大時(shí),可對(duì)端壁形成一定的冷卻保護(hù),且能夠在一定程度上減弱二次流[3-4]。Blair等關(guān)于葉片上游間隙射流對(duì)端壁的氣膜冷卻作用以及對(duì)端壁傳熱性能影響開展了相關(guān)研究,研究發(fā)現(xiàn),間隙下游的端壁氣膜分布沿周向變化劇烈[5]。Lynch等通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了間隙射流對(duì)端壁熱負(fù)荷的影響以及對(duì)氣膜冷卻作用、傳熱性能的影響,結(jié)果表明,間隙射流對(duì)端壁前部提供一定的氣膜冷卻作用且能增強(qiáng)整個(gè)端壁的傳熱,可有效降低在端壁前部的熱負(fù)荷,而在通道后部間隙射流不能形成良好的冷卻保護(hù),增大了傳熱系數(shù),導(dǎo)致該區(qū)域內(nèi)的熱負(fù)荷增大[6-7]。Cardwell等關(guān)于間隙寬度對(duì)透平第1級(jí)靜葉的端壁氣膜冷卻性能的影響進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,結(jié)果表明,增加間隙射流的質(zhì)量流量,可提高端壁氣膜有效度,而增加間隙射流的動(dòng)量通量比,可提高氣膜覆蓋面積[8]。Gao等采用壓力敏感漆技術(shù),在平面葉柵實(shí)驗(yàn)臺(tái)上,實(shí)驗(yàn)研究了間隙射流對(duì)大轉(zhuǎn)折角葉片端壁氣膜冷卻的影響[9]。

國(guó)內(nèi)關(guān)于間隙射流對(duì)端壁流動(dòng)傳熱性能影響的研究相對(duì)較少。杜昆等利用數(shù)值方法研究了間隙出流結(jié)構(gòu)對(duì)端壁氣膜冷卻性能的影響,結(jié)果表明,間隙入射段結(jié)構(gòu)對(duì)葉片前緣端壁區(qū)域的冷卻效率影響顯著,采用相切圓弧過(guò)度的入射段結(jié)構(gòu),能減小間隙射流的流動(dòng)分離,具有優(yōu)良的冷卻性能[10-11]。劉高文等在大尺寸低速平面實(shí)驗(yàn)臺(tái)上,有關(guān)單排氣膜孔的噴射角對(duì)渦輪葉柵端壁氣膜冷卻傳熱的影響進(jìn)行了研究,結(jié)果表明,減小噴射角可以顯著提高冷卻效率,但也增大了換熱系數(shù)[12]。楊星等利用數(shù)值方法對(duì)于葉柵通道中有無(wú)端壁間隙、不同間隙泄漏流量及不同間隙射流角對(duì)于氣膜有限度分布的影響,結(jié)果表明,端壁間隙限制了氣膜的擴(kuò)散分布,不恰當(dāng)?shù)男孤┝鲿?huì)削弱冷卻效果[13]。宋立明等利用數(shù)值方法對(duì)上游間隙對(duì)葉片端壁氣膜冷卻、傳熱及氣動(dòng)性能的影響進(jìn)行了研究,結(jié)果表明,間隙射流對(duì)葉片端壁提供了氣膜冷卻作用,但同時(shí)會(huì)增加端壁前緣位置的傳熱系數(shù),間隙角度的減小,會(huì)增強(qiáng)端壁的冷卻保護(hù),間隙距葉片前緣距離的增大能夠減弱端壁二次流,提高端壁氣膜分布的均勻性[14-15]。

綜上所述,考慮到實(shí)際葉柵的環(huán)形效應(yīng),本文設(shè)計(jì)搭建了環(huán)形葉柵測(cè)量系統(tǒng),并對(duì)質(zhì)量流量比以及間隙射流角度對(duì)于端壁氣膜有效度的影響進(jìn)行了相關(guān)研究。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

1.1 氣膜冷卻實(shí)驗(yàn)臺(tái)和實(shí)驗(yàn)工況

實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖1所示,主流由壓縮機(jī)通過(guò)低速風(fēng)洞提供,風(fēng)洞中設(shè)置整流格柵、收縮段以及穩(wěn)流段,隨后進(jìn)入實(shí)驗(yàn)段。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

間隙射流由多瓶壓縮二氧化碳提供,利用質(zhì)量流量控制器控制射流流量,通過(guò)調(diào)節(jié)各級(jí)減壓閥調(diào)整間隙射流流量,保證實(shí)驗(yàn)所需質(zhì)量流量比。質(zhì)量流量比定義為

%

(1)

式中:m∞、mc分別為來(lái)流、射流質(zhì)量流量。本實(shí)驗(yàn)中質(zhì)量流量比M為1.0%、1.5%、2.0%。間隙射流經(jīng)過(guò)液氮冷卻裝置進(jìn)行冷卻,通過(guò)氣室以及間隙進(jìn)入環(huán)形葉柵實(shí)驗(yàn)段的通道內(nèi)。間隙射流管道外側(cè)覆蓋一層保溫棉以及保溫材料,以減少熱量損失。為了保證實(shí)驗(yàn)盡可能接近實(shí)際運(yùn)用的條件,同時(shí)保證不同實(shí)驗(yàn)工況的統(tǒng)一性,射流的溫度控制在-20 ℃,實(shí)驗(yàn)中主流與間隙射流的密度比為1.7。

1.2 實(shí)驗(yàn)段

采用Solidworks三維造型軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)段進(jìn)行了設(shè)計(jì),三維示意圖如圖2所示。為了降低端壁導(dǎo)熱的影響,實(shí)驗(yàn)段采用低導(dǎo)熱率光敏樹脂材料(導(dǎo)熱率為0.2 W/(m·K))進(jìn)行3D打印加工。

圖2 實(shí)驗(yàn)段三維示意圖

實(shí)驗(yàn)中選取GE公司的E3透平第1級(jí)靜葉作為實(shí)驗(yàn)參考葉型,葉片根部截面型線及三維造型示意圖如圖3所示。表1給出了實(shí)驗(yàn)臺(tái)相關(guān)參數(shù)。為了保證環(huán)形葉柵通道周期性,實(shí)驗(yàn)臺(tái)設(shè)置了6個(gè)葉片,形成5個(gè)葉柵通道,選取中間的通道進(jìn)行測(cè)量。圖3中間隙結(jié)構(gòu)位于葉片前緣位置處,距葉片前緣位置0.1倍葉片軸向弦長(zhǎng),在不同的實(shí)驗(yàn)工況中,位置不同。同時(shí),為了避免實(shí)驗(yàn)中冷卻射流分配不均的情況,在實(shí)驗(yàn)段中增加氣室結(jié)構(gòu),使得冷卻氣體在通過(guò)間隙進(jìn)口處時(shí)達(dá)到均勻分布。

表1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)相關(guān)參數(shù)

圖3 葉片型線及三維造型示意圖

1.3 數(shù)據(jù)測(cè)量和采集系統(tǒng)

1.3.1 溫度及壓力測(cè)量系統(tǒng) 實(shí)驗(yàn)中需要對(duì)主流溫度、冷卻氣體溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)。采用I級(jí)精度的K型熱電偶對(duì)主流溫度進(jìn)行測(cè)量,其測(cè)量范圍為-200～1 200 ℃,精度為0.4%;采用I級(jí)精度的T型熱電偶對(duì)冷卻氣體溫度進(jìn)行測(cè)量,其測(cè)量范圍為-200～350 ℃,精度為0.4%。溫度的采集使用DEWESOFT公司生產(chǎn)的高頻溫度采集模塊,精度為0.05%,最高采樣頻率為200 kHz。主流進(jìn)口設(shè)置總壓探針,對(duì)主流的進(jìn)口總壓進(jìn)行監(jiān)控,確保實(shí)驗(yàn)中主流工況不發(fā)生變化;壓力測(cè)量采用Rosement公司的高精度壓差變送器;間隙射流流量由高精度ALICAT 21系列質(zhì)量流量控制器直接讀取。

1.3.2 紅外熱像儀測(cè)量系統(tǒng) 對(duì)于端壁溫度分布的測(cè)量利用紅外測(cè)試技術(shù),采用美國(guó)FLIR公司生產(chǎn)的高精度紅外熱像儀FLIR T650sc。紅外測(cè)量作為一種非接觸式的測(cè)量,對(duì)于流動(dòng)以及溫度的影響較小,且紅外熱像儀具有空間分辨率高、測(cè)量范圍廣等優(yōu)點(diǎn),可對(duì)本文所需端壁表面進(jìn)行全場(chǎng)測(cè)量,從而可快速準(zhǔn)確獲得端壁表面的溫度場(chǎng)分布,有效彌補(bǔ)了熱電偶測(cè)溫技術(shù)測(cè)量點(diǎn)稀疏分散的不足。實(shí)驗(yàn)所用的紅外熱像儀實(shí)物圖如圖4所示,相關(guān)參數(shù)如表2所示。

圖4 紅外熱像儀實(shí)物圖

參數(shù)名稱參數(shù)值型號(hào)FLIRT650SC相機(jī)精度640×480像素測(cè)量精度±1%或±1℃測(cè)量范圍-40℃～150℃圖像幀頻≤30 Hz空間分辨率0.68 mrad工作波長(zhǎng)7.5～14 μm視場(chǎng)角/最小焦距25°×19°/0.25 m

圖5給出了紅外熱像儀溫度標(biāo)定曲線,利用熱電偶(TC)和紅外熱像儀(IR)獲得標(biāo)定點(diǎn)的多組溫度數(shù)值,從而對(duì)于紅外熱像儀進(jìn)行溫度標(biāo)定,圖中T1為實(shí)際溫度,T2為測(cè)量溫度,在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi),紅外熱像儀可以準(zhǔn)確測(cè)量端壁溫度。

圖5 紅外熱像儀溫度標(biāo)定曲線

紅外熱像儀的窗口設(shè)置如圖6所示,實(shí)驗(yàn)測(cè)量中紅外熱像儀的測(cè)量視場(chǎng)為60 mm×80 mm的矩形區(qū)域,將視場(chǎng)向二維平面投影得到最終的實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果,所選視場(chǎng)可以完整清晰地展示端壁區(qū)域。

圖6 紅外測(cè)量的窗口設(shè)置

1.4 實(shí)驗(yàn)誤差分析

絕熱氣膜有效度可定義為

(2)

式中:T∞為主流來(lái)流溫度;Taw為壁面絕熱溫度;Tc為間隙射流的溫度。主流溫度采用K型熱電偶溫度進(jìn)行測(cè)量,誤差為±0.2 ℃,間隙射流與壁面溫度采用T型熱電偶進(jìn)行測(cè)量、標(biāo)定,誤差分別為±0.2 ℃、±0.4 ℃。

對(duì)目標(biāo)測(cè)量絕熱氣膜有效度進(jìn)行相對(duì)誤差估計(jì),即

(3)

當(dāng)η為0.1、0.5、0.9時(shí),絕對(duì)誤差Δη分別為0.017、0.016、0.017,相對(duì)誤差分別為17%、3.2%、1.9%。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

在自主設(shè)計(jì)搭建的環(huán)形葉柵實(shí)驗(yàn)臺(tái)上開展了間隙射流角度對(duì)于環(huán)形葉柵端壁氣膜冷卻性能的實(shí)驗(yàn)研究,實(shí)驗(yàn)中進(jìn)口總壓為1 kPa(表壓),進(jìn)口總溫為15 ℃,出口壓力為當(dāng)?shù)卮髿鈮?葉柵出口馬赫數(shù)為0.1。

2.1 質(zhì)量流量比對(duì)端壁絕熱氣膜有效度的影響

實(shí)驗(yàn)研究了間隙射流質(zhì)量流量比對(duì)端壁絕熱氣膜有效度的影響,端壁間隙的幾何結(jié)構(gòu)示意圖如圖7所示。圖中Cax為葉片軸向弦長(zhǎng),0.1Cax表示葉片前緣位置到間隙出口靠近葉片端的距離為0.1倍葉片軸向弦長(zhǎng)。

圖7 端壁間隙幾何結(jié)構(gòu)示意圖

3種不同質(zhì)量流量比M為1.0%、1.5%、2.0%條件下端壁氣膜有效度的分布云圖如圖8所示。由圖8可知:受到端壁二次流的影響,間隙射流在端壁所形成的冷卻氣膜集中分布在葉柵通道前部靠近吸力面?zhèn)葏^(qū)域,對(duì)于壓力面?zhèn)葏^(qū)域以及葉柵通道后部幾乎沒(méi)有冷卻保護(hù);在葉片前緣位置附近,由于馬蹄渦向端壁卷吸主流,會(huì)增強(qiáng)主流與冷卻流體的摻混,從而顯著降低葉片前緣區(qū)域附近的氣膜有效度;隨著質(zhì)量流量比的增大,冷卻射流覆蓋范圍擴(kuò)大,端壁氣膜有效度也提高。當(dāng)M=1.0%時(shí),由于間隙出口冷卻流體的動(dòng)量較小,不足以抵抗馬蹄渦帶來(lái)的影響,間隙射流對(duì)于葉片前緣端壁位置附近幾乎沒(méi)有冷卻作用;當(dāng)M=1.5%時(shí),與M=1.0%時(shí)相比,間隙射流對(duì)葉片前緣位置附近區(qū)域具有一定的冷卻保護(hù);當(dāng)M=2.0%時(shí),間隙射流已經(jīng)能夠?qū)θ~片前緣附近區(qū)域的端壁形成較為良好的氣膜冷卻保護(hù)。這是因?yàn)殡S著間隙射流質(zhì)量流量比的增大,冷卻流體的動(dòng)量相應(yīng)提高,具有較高動(dòng)量的冷卻流體能夠抵抗馬蹄渦的影響,因此能夠?qū)θ~片前緣附近的區(qū)域進(jìn)行一定的冷卻保護(hù)。

(a)M=1.0%

(b)M=1.5%

(c)M=2.0%圖8 M不同時(shí)端壁氣膜有效度分布云圖

M不同時(shí),環(huán)形葉柵前緣位置端壁氣膜有效度的周向分布如圖9所示。由圖9可知:隨著M由1.0%提升到1.5%,端壁氣膜有效度顯著提高;M由1.5%提升到2.0%時(shí),氣膜有效度提高幅度變小,但總體冷卻性能進(jìn)一步提升;對(duì)于峰值進(jìn)行對(duì)比,特別是在X/t=0.6附近區(qū)域,其中t為兩葉片前緣點(diǎn)之間的距離,X為測(cè)量點(diǎn)距左端葉片前緣點(diǎn)距離,M=1.5%,2.0%時(shí)相較于M=1.0%時(shí),氣膜有效度峰值分別提升了33%及37.5%。

2.2 射流角度對(duì)于端壁氣膜冷卻性能的影響

在間隙射流角度對(duì)端壁氣膜冷卻性能影響的實(shí)驗(yàn)研究中,測(cè)量了射流角度為45°、65°和90°時(shí)的氣膜有效度,3種不同射流角度的間隙幾何結(jié)構(gòu)示意圖如圖10所示。

圖9 M不同時(shí)環(huán)形葉柵前緣位置端壁氣膜有效度的周向分布

圖10 不同射流角度間隙幾何結(jié)構(gòu)示意圖

(a)M=1.0%

(b)M=1.5%

(c)M=2.0%圖11 不同射流角度下葉片端壁氣膜有效度分布云圖

不同間隙角度下的葉片端壁氣膜有效度分布云圖如圖11所示。由圖11可知:當(dāng)M=1.0%時(shí),3種不同間隙射流角度下端壁氣膜有效度均較低,特別是對(duì)于葉片前緣附近區(qū)域,由于此時(shí)間隙射流的動(dòng)量較小,受到馬蹄渦的影響,3種角度下對(duì)于葉片前緣區(qū)域幾乎均沒(méi)有冷卻保護(hù)的效果;當(dāng)M=1.5%時(shí),對(duì)于葉片前緣附近區(qū)域,射流角度為45°時(shí)間隙射流已經(jīng)具有了較弱的冷卻保護(hù)效果,當(dāng)射流角度為65°時(shí),保護(hù)效果有了一定程度的下降,而當(dāng)射流角度為90°時(shí),葉片前緣的端壁區(qū)域幾乎沒(méi)有間隙冷卻流體的覆蓋;M=2.0%、射流角度為45°時(shí),間隙冷卻射流已經(jīng)能比較有效地對(duì)葉片前緣附近區(qū)域進(jìn)行冷卻保護(hù),當(dāng)射流角度為65°時(shí),氣膜冷卻的保護(hù)效果有了一定的下降,當(dāng)射流角度增大到90°時(shí),區(qū)域內(nèi)的端壁氣膜有效度顯著降低,這是因?yàn)殡S著間隙射流角度的減小,間隙射流沿主流流動(dòng)方向會(huì)具有更大的分動(dòng)量,因此在較大質(zhì)量流量比下,會(huì)在一定程度上抵抗馬蹄渦的影響,從而對(duì)葉片前緣附近端壁附近區(qū)域起到一定的冷卻保護(hù)效果。

因此,在本文實(shí)驗(yàn)所研究的質(zhì)量流量比范圍內(nèi),減小間隙射流角度會(huì)提高間隙射流對(duì)端壁的氣膜冷卻保護(hù)的能力,隨著間隙射流角度的減小,端壁氣膜有效度相應(yīng)提高,氣膜覆蓋范圍也有所增加。

(a)M=1.0%

(b)M=1.5%

(c)M=2.0%圖12 不同射流角度下葉片前緣位置端壁氣膜有效度的周向分布

不同射流角度下葉片前緣位置端壁氣膜有效度的周向分布如圖12所示。由圖12可知,在所研究的質(zhì)量流量比范圍內(nèi),隨著間隙射流角度的增大,葉片前緣位置附近區(qū)域內(nèi)的端壁周向氣膜有效度的氣膜有效覆蓋范圍都有所減小,且隨著射流角度的增大,葉片通道中間位置的氣膜有效度降低。由圖12a可知,在M=1.0%時(shí),45°與65°射流角度相比,在氣膜有效度最高值上變化不大,但是整體的覆蓋面積在射流角度為45°時(shí)更大,分布也較為平均,而當(dāng)射流角度達(dá)到90°時(shí),整體的氣膜冷卻效果都顯著減弱;由圖12b、圖12c可知,隨著M的增大,氣膜有效度的峰值均有所提升,且不同射流角度下的對(duì)比更加明顯,特別在X/t=0.6位置附近的區(qū)域,當(dāng)M=1.0%,1.5%,2.0%時(shí),隨間隙射流角度從45°增大到90°,質(zhì)量流量平均后的氣膜有效度分別下降了17%、15%、13%。

3 結(jié) 論

本文自主設(shè)計(jì)并搭建了上游間隙射流作用下扇形葉柵端壁氣膜冷卻性能實(shí)驗(yàn)測(cè)量平臺(tái)?；诟呔燃t外測(cè)溫技術(shù)實(shí)驗(yàn)測(cè)量了不同質(zhì)量流量比、間隙射流角度條件下扇形葉柵端壁氣膜有效度,得到了如下結(jié)論。

(1)間隙射流可以對(duì)端壁前部區(qū)域進(jìn)行一定的冷卻保護(hù)。受到端壁二次流的影響,間隙射流在端壁所形成的冷卻氣膜主要集中在葉柵通道前部靠近吸力面?zhèn)葏^(qū)域,對(duì)壓力面?zhèn)葏^(qū)域以及葉柵通道后部幾乎沒(méi)有冷卻保護(hù)。

(2)增大間隙射流的質(zhì)量流量比,可提高間隙射流對(duì)端壁的氣膜冷卻作用。隨著射流質(zhì)量流量比的增加,端壁氣膜有效度提高,氣膜分布范圍增大。

(3)3種不同間隙射流角度的實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果表明:隨著間隙射流角度的減小,可有效提高端壁的氣膜有效度,并且在較高的射流質(zhì)量流量比條件下,采用較小的間隙射流角度時(shí),射流受馬蹄渦的影響減小,可對(duì)葉片前緣附近的端壁區(qū)域提供一定的氣膜冷卻作用。