李馮,賈哲,張韋馨,劉釗,石,豐鎮(zhèn)平

(1.西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院,710049,西安;2.中國聯(lián)合重型燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)有限公司,100015,北京)

燃?xì)廨啓C(jī)廣泛應(yīng)用于航空、艦船、發(fā)電等工業(yè)領(lǐng)域。為了提高燃?xì)廨啓C(jī)的熱效率,其透平進(jìn)口溫度一直在持續(xù)提高,目前已遠(yuǎn)超葉片金屬材料可正常運(yùn)行的溫度。在透平動(dòng)葉中,由于葉頂間隙的存在,部分主流在葉片橫向壓差和葉片進(jìn)出口壓差的作用下經(jīng)由葉頂間隙從壓力面泄漏到吸力面,從而產(chǎn)生泄漏流損失,導(dǎo)致透平效率下降。同時(shí)由于流動(dòng)邊界層較薄,傳熱增強(qiáng),葉頂區(qū)域承受著巨大的熱負(fù)荷,葉片頂部產(chǎn)生燒蝕現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生,成為導(dǎo)致透平部件失效的重要原因之一,嚴(yán)重影響到燃?xì)廨啓C(jī)安全可靠的運(yùn)行。Bunker[1]指出葉頂是限制燃?xì)廨啓C(jī)使用壽命的主要因素之一。Sunden等[2]認(rèn)為任何針對葉頂?shù)脑O(shè)計(jì)都需要對泄漏流動(dòng)特性和傳熱特性進(jìn)行詳細(xì)研究。高杰等[3]詳細(xì)總結(jié)了近年來透平葉頂間隙氣熱技術(shù)方面的研究進(jìn)展。

國內(nèi)外學(xué)者針對葉頂?shù)臍鉄崽匦赃M(jìn)行了大量研究。早先,Kwak等[4]指出,凹槽葉頂相比平葉頂有更高的氣膜冷卻有效度。Key等[5]針對凹槽葉頂和平葉頂?shù)臍鈩?dòng)性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究,發(fā)現(xiàn)凹槽葉頂表現(xiàn)出更好的氣動(dòng)性能。楊佃亮等[6]也指出凹槽葉頂內(nèi)有著比平葉頂更復(fù)雜的流動(dòng)結(jié)構(gòu),并且凹槽葉頂能夠明顯降低葉頂泄漏流量。Sakaoglu等[7]比較了凹槽葉頂在不同肩壁高度下的冷卻性能,結(jié)果表明,增加肩壁高度可以提高冷卻性能。鄒正平等[8]指出可以通過合理選擇葉頂氣動(dòng)參數(shù)和凹槽的幾何參數(shù)進(jìn)而有效控制葉頂間隙內(nèi)刮削渦形態(tài),最終提升葉頂氣熱性能。由于實(shí)際燃?xì)馔钙街袆?dòng)葉為旋轉(zhuǎn)部件,相比于靜止工況,動(dòng)葉在旋轉(zhuǎn)時(shí)衍生的離心力和科氏力使得葉頂流動(dòng)特性及其傳熱特性發(fā)生了較大改變。Yang等[9]采用數(shù)值的方法比較了葉頂在旋轉(zhuǎn)和靜止工況下的氣熱性能,結(jié)果發(fā)現(xiàn),旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下葉頂?shù)膿Q熱系數(shù)更高。

其后,更多的學(xué)者開始研究基于凹槽葉頂改型得到的新型凹槽葉頂。Lee等[10]測量了臺(tái)階式肩壁凹槽葉頂?shù)臍鈩?dòng)損失分布,結(jié)果表明,凹槽葉頂在其壓力側(cè)肩壁高于吸力側(cè)時(shí)能夠獲得更低的氣動(dòng)損失。Zhou等[11]比較了凹槽葉頂和吸力側(cè)肩壁凹槽葉頂?shù)睦鋮s性能,發(fā)現(xiàn)后者由于高吹風(fēng)比下冷氣在葉頂表面吹離,從而呈現(xiàn)較低的冷效值。楊佃亮等[12]比較了葉頂吸力側(cè)和壓力側(cè)肩壁的不同組合對抑制葉頂泄漏流和降低葉頂熱負(fù)荷的效果,結(jié)果發(fā)現(xiàn),雙側(cè)肩壁葉頂在抑制泄漏流方面效果最好,而吸力側(cè)肩壁葉頂獲得了最低的換熱系數(shù)。Kim等[13]采用試驗(yàn)方法指出垂直肩壁凹槽葉頂?shù)臍饽じ采w程度優(yōu)于傾斜肩壁的凹槽葉頂。Lee等[14]開發(fā)了幾種三角凹槽葉頂并用數(shù)值預(yù)測了氣動(dòng)損失,結(jié)果表明,三角凹槽改變了泄漏流結(jié)構(gòu)和相應(yīng)的泄漏渦,且三角凹槽位于吸力面?zhèn)葧r(shí)能夠獲得較低的氣動(dòng)損失和熱負(fù)荷。Park等[15]通過在凹槽內(nèi)中放置肋片來形成了多凹槽葉頂,有關(guān)測量研究表明多凹槽葉頂具有較低的氣動(dòng)損失。Du等[16]研究了透平級(jí)中多凹槽葉頂?shù)臍鉄嵝阅?發(fā)現(xiàn)與傳統(tǒng)的單凹槽葉頂相比,多凹槽葉頂可以同時(shí)降低壓力損失和熱負(fù)荷,然而由于流動(dòng)再附著,在肋片的下游觀察到相對較高的傳熱區(qū)域。Li等[17]試驗(yàn)測量了多凹槽葉頂?shù)臍饽だ鋮s分布,結(jié)果發(fā)現(xiàn)多凹槽葉頂能夠提高葉頂中部的冷卻效果,但降低了葉頂靠近尾緣區(qū)域的冷卻效果。葉明亮等[18-19]研究了肋片位置對于二凹槽葉頂傳熱和冷卻性能的影響。Zhang等[20]提出在葉頂布置槽縫射流來冷卻葉頂并采用壓力敏感漆技術(shù)進(jìn)行了試驗(yàn)測量,結(jié)果表明,在冷氣流量較大時(shí)冷氣可以較好覆蓋槽縫下游的葉頂表面。

綜上所述,多凹槽葉頂不僅可以減少葉柵氣動(dòng)損失,還可以提高氣膜冷卻性能。然而,目前針對多凹槽葉頂氣膜冷卻性能的研究較少,特別是相關(guān)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)較為缺乏。由于旋轉(zhuǎn)動(dòng)葉葉頂試驗(yàn)耗資巨大,且測量困難,而動(dòng)葉葉頂間隙較小,葉頂間隙內(nèi)的流動(dòng)主要是由葉片兩側(cè)壓差所驅(qū)動(dòng),加之其前緣處由沖角驅(qū)動(dòng),因此采用靜止?fàn)顟B(tài)的試驗(yàn)可以模擬出該壓力驅(qū)動(dòng)流的流場,從而獲得葉頂?shù)膫鳠崤c冷卻分布,靜止?fàn)顟B(tài)的試驗(yàn)結(jié)果仍能反映葉頂?shù)牧鲃?dòng)、傳熱與冷卻特性,所以目前有關(guān)葉頂?shù)脑囼?yàn)研究大部分為靜止工況。

本文在平面葉柵試驗(yàn)臺(tái)上研究了不同結(jié)構(gòu)的多凹槽葉頂?shù)臍饽だ鋮s特性,葉頂結(jié)構(gòu)主要包括單凹槽葉頂、二凹槽葉頂、三凹槽葉頂和四凹槽葉頂。在3種吹風(fēng)比條件下應(yīng)用壓力敏感漆技術(shù)測量得到了多凹槽葉頂表面的氣膜冷卻有效度分布,同時(shí)作為試驗(yàn)研究的補(bǔ)充,應(yīng)用經(jīng)過校核的數(shù)值方法輔助分析了葉頂間隙內(nèi)的流場結(jié)構(gòu)和氣動(dòng)特性。本文研究主要目的是獲得多凹槽葉頂?shù)臍饽だ鋮s有效度分布特征,為燃?xì)馔钙饺~頂冷卻設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)和應(yīng)用借鑒。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)和方法

1.1 試驗(yàn)系統(tǒng)和試驗(yàn)段

本文所搭建的低速平面葉柵試驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示,主要包括主流系統(tǒng)和二次流系統(tǒng)。其中主流由多臺(tái)并聯(lián)壓縮機(jī)供應(yīng),冷干機(jī)和儲(chǔ)氣罐分別用來干燥冷卻和穩(wěn)定主流壓力,通過調(diào)節(jié)旁通管路上的旁通閥可以調(diào)節(jié)進(jìn)入試驗(yàn)段內(nèi)的主流流量。二次流由多個(gè)并聯(lián)空氣和二氧化碳?xì)夤薰?yīng),高精度質(zhì)量流量計(jì)可以精確調(diào)節(jié)進(jìn)入試驗(yàn)段內(nèi)的二次流流量,換熱器可以調(diào)節(jié)二次流的溫度。

1—總壓探針;2—畢托管;3—熱電偶;4—激發(fā)光源;5—CCD相機(jī)。

試驗(yàn)段由5只葉片和4個(gè)完整的葉柵流道組成,最中間的葉片作為測試葉片。葉片型線來源于某重型燃?xì)馔钙降谝患?jí)動(dòng)葉,展弦比為0.86,節(jié)弦比為1.35,葉頂間隙設(shè)置為1.3%弦長。葉柵入口處布置有總壓探針、畢托管和熱電偶,用于測量主流總壓、流速和溫度。試驗(yàn)段測得進(jìn)口速度為22 m/s,進(jìn)口溫度為常溫,一個(gè)典型的來流溫度值為308 K,對應(yīng)的進(jìn)口雷諾數(shù)為1.75×105,氣流通過尾緣板后排入大氣。由于葉片數(shù)量有限,因此在葉柵出口處布置有可活動(dòng)的尾緣板,可以通過調(diào)節(jié)尾緣板的角度實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)段的周期性。試驗(yàn)段內(nèi)未設(shè)置湍流柵格,湍流強(qiáng)度約為2%。

1.2 葉頂結(jié)構(gòu)及其冷卻設(shè)計(jì)

圖2給出了本文研究的4種凹槽葉頂結(jié)構(gòu),基于傳統(tǒng)的單凹槽葉頂,通過在凹槽內(nèi)部布置肋片將凹槽劃分為多凹槽葉頂。凹槽肩臂和肋片幾何參數(shù)相同,其高度均為4.5%弦長,寬度均為1.8%弦長,肋片位置分別位于32%、52%和72%軸向弦長處。圖3所示為該動(dòng)葉片的冷卻設(shè)計(jì)示意圖,葉頂沿中弧線布置有12個(gè)氣膜孔,其長徑比為3.3,節(jié)徑比為5.9,所有氣膜孔均垂直于葉頂表面,即射流角為90°。本試驗(yàn)件設(shè)置了3個(gè)二次流供氣腔,分別供應(yīng)葉頂靠近前緣的兩個(gè)氣膜孔、中部的4個(gè)氣膜孔和后部靠近尾緣的6個(gè)氣膜孔。

(a)單凹槽葉頂 (b)二凹槽葉頂

(a)側(cè)視圖 (b)俯視圖

1.3 試驗(yàn)測量方法

本文應(yīng)用壓力敏感漆(PSP)技術(shù)測量動(dòng)葉葉頂表面的氣膜冷卻有效度分布。近年來,壓力敏感漆技術(shù)廣泛運(yùn)用于燃?xì)馔钙饺~片內(nèi)部氣膜冷卻研究,包括端壁[21]、葉片表面[22]、前緣[23]和葉頂[24]等。Han等[25]基于光致發(fā)光和氧猝滅特性,詳細(xì)總結(jié)了壓力敏感漆技術(shù)在氣膜冷卻研究中的應(yīng)用與方法。光致發(fā)光特性是指壓力敏感漆中的活性分子在受到某一特定波長(400 nm)的光源照射時(shí),由基態(tài)升遷為激發(fā)態(tài),這些活性分子在由激發(fā)態(tài)回落到基態(tài)時(shí),會(huì)發(fā)出紅光(大于600 nm)并可由CCD相機(jī)采集。但當(dāng)壓力敏感漆附近存在氧分子時(shí),激發(fā)的紅光會(huì)被氧分子吸收,而不能被CCD相機(jī)采集到。激發(fā)光強(qiáng)與氧分壓大小有關(guān),氧分壓越大,激發(fā)光強(qiáng)越小,其關(guān)系式滿足文獻(xiàn)[26]中提供的Stern-Volmer方程,即

(1)

式中:Iref為參考光強(qiáng);Iback為無激發(fā)光源時(shí)的背景光強(qiáng);I為試驗(yàn)條件下獲得的光強(qiáng);PO2,ref為試驗(yàn)條件下的參考氧分壓;PO2為試驗(yàn)條件下的氧分壓。由式(1)可知,溫度與氧分壓均對激發(fā)光強(qiáng)有影響,因此在試驗(yàn)開始測量前,需要通過標(biāo)定來確定溫度、氧分壓與激發(fā)光強(qiáng)的關(guān)系式,主要是式中各項(xiàng)系數(shù)的確定。本試驗(yàn)標(biāo)定曲線如圖4所示,可知當(dāng)獲取參考光強(qiáng)的溫度與標(biāo)定溫度一致時(shí),不同溫度下的標(biāo)定曲線幾乎是重合的。因此,本文擬合的氧分壓與激發(fā)光強(qiáng)的關(guān)系式為

圖4 壓力敏感漆標(biāo)定曲線

(2)

根據(jù)文獻(xiàn)[27]的理論,對于充分發(fā)展流動(dòng),湍流路易斯數(shù)約等于1,此時(shí)傳熱傳質(zhì)方程具有相同形式的解,即傳熱傳質(zhì)可比擬。因此,以無量綱溫度形式表示的氣膜冷卻有效度可以表示為無量綱氧濃度形式,并可進(jìn)一步表示為無量綱氧分壓形式,即

(3)

式中:T為溫度;C為氧濃度;下標(biāo)∞、aw、w、c分別為主流、絕熱壁面、壁面、二次流。PO2、air/PO2、ref、PO2,sf/PO2,ref分別表示空氣和二次流射流時(shí)氣膜中的無量綱氧分壓;Msf/Mair表示二次流與主流相對分子質(zhì)量之比,等同于其密度比。本試驗(yàn)中,采用二氧化碳作為二次流,密度比大約為1.5。詳細(xì)推導(dǎo)過程可見文獻(xiàn)[25]。

本試驗(yàn)不確定度的確定基于文獻(xiàn)[28]提供的分析方法。本試驗(yàn)葉柵進(jìn)口流速的不確定度為2%,二次流流量的不確定度為1%。而最大的不確定度來自于激發(fā)光強(qiáng)的測量,基于95%的置信度,本試驗(yàn)氣膜冷卻有效度測量的不確定度在其值為0.1、0.3、0.5時(shí)分別為14.0%、3.4%、1.3%。

1.4 數(shù)值方法及驗(yàn)證

由于葉頂間隙狹小,本試驗(yàn)未能獲得葉頂間隙內(nèi)的流動(dòng)特性,故采用數(shù)值模擬方法進(jìn)一步輔助分析比較試驗(yàn)條件下不同結(jié)構(gòu)的多凹槽葉頂間隙內(nèi)的流動(dòng)特性和氣動(dòng)性能,數(shù)值計(jì)算模型如圖5所示。為了減少計(jì)算資源,采用單葉片構(gòu)建了流體域模型,兩側(cè)為周期性邊界條件。計(jì)算邊界條件與試驗(yàn)一致,流體域進(jìn)口設(shè)定為測得的溫度和速度,出口設(shè)定為平均靜壓,冷氣為二氧化碳,設(shè)定為流量和溫度邊界條件,其余壁面設(shè)定為非滑移絕熱壁面。采用商業(yè)軟件ANSYS CFX定常求解雷諾平均Navier-Stokes方程,所有離散項(xiàng)采用二階精度。

圖5 數(shù)值計(jì)算模型及邊界

葉頂?shù)牧鲃?dòng)和換熱特性對于湍流模型的選擇具有極大的敏感性,本文選取吹風(fēng)比為1.0的試驗(yàn)工況和4種湍流模型進(jìn)行了湍流模型驗(yàn)證。圖6比較了試驗(yàn)測量和不同湍流模型計(jì)算的氣膜冷卻有效度分布,可知對于任何湍流模型,氣膜孔附近冷卻有效度的預(yù)測值均高于測量值。其中標(biāo)準(zhǔn)k-ω模型和SSTk-ω模型能夠較好地預(yù)測冷氣軌跡,但兩者均過高預(yù)測了冷卻有效度,而標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型和RNGk-ε模型難以預(yù)測冷氣軌跡。從節(jié)距方向冷卻有效度平均值比較來看,相比其他湍流模型,標(biāo)準(zhǔn)k-ω模型的預(yù)測值在整個(gè)軸向弦長范圍內(nèi)更接近試驗(yàn)測量值。因此,本文采用標(biāo)準(zhǔn)k-ω模型作為數(shù)值模擬湍流模型。

(a)試驗(yàn)值 (b)標(biāo)準(zhǔn)k-ω (c)標(biāo)準(zhǔn)k-ε

本文進(jìn)行了網(wǎng)格無關(guān)性分析,采用商業(yè)軟件ICEM-CFD對數(shù)值計(jì)算模型劃分非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。在葉頂區(qū)域設(shè)置了足夠多的節(jié)點(diǎn)來捕捉葉頂流動(dòng)細(xì)節(jié),在近壁面區(qū)域設(shè)置了邊界層,網(wǎng)格第一層高度為0.005 mm,使得計(jì)算域中最大的y+小于1.0。采用網(wǎng)格數(shù)分別為703萬(粗)、1 193萬(中等)、1 947萬(細(xì))進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性分析。表1總結(jié)了不同類型網(wǎng)格的冷效面積均值、與Richardson外推值[29]的偏差以及網(wǎng)格收斂指數(shù)[29]。由表1可知,細(xì)網(wǎng)格與Richardson外推值之間的冷效面積均值偏差小于0.5%。此外,基于文獻(xiàn)[29]提供的保守網(wǎng)格收斂指數(shù)形式,細(xì)網(wǎng)格平均網(wǎng)格收斂指數(shù)小于1%,表明當(dāng)數(shù)值計(jì)算模型的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)達(dá)到1 947萬時(shí)能夠獲得網(wǎng)格無關(guān)解。

表1 網(wǎng)格信息統(tǒng)計(jì)

2 結(jié)果與分析

2.1 氣膜冷卻特性

圖7給出了吹風(fēng)比M為1.0、1.5和2.0時(shí)不同結(jié)構(gòu)多凹槽葉頂?shù)臍饽だ鋮s有效度分布云圖。由圖7可知,對于任一結(jié)構(gòu)的凹槽葉頂,當(dāng)M為1.0時(shí),葉頂氣膜孔下游有明顯的冷氣軌跡,其中靠近前緣的兩個(gè)氣膜孔下游冷氣軌跡最為明顯,并且冷效值最高。但當(dāng)吹風(fēng)比繼續(xù)增加時(shí),靠近前緣的兩個(gè)氣膜孔下游冷氣軌跡減小,并且其冷效值也減小。這是因?yàn)榇碉L(fēng)比增大,冷氣射流增多,冷氣吹離葉頂表面,與進(jìn)入葉頂間隙的泄漏流摻混加強(qiáng),因此靠近前緣處的冷效降低。對于葉頂中后部來說,吹風(fēng)比增大使得冷效值降低,但整體的冷卻效率增大,增大吹風(fēng)比提高了葉頂中后部的冷卻效果。在葉頂肩臂表面,特別是吸力面?zhèn)燃绫蹘缀鯖]有冷卻效果。

(a)單凹槽葉頂 (b)二凹槽葉頂 (c)三凹槽葉頂 (d)四凹槽葉頂

從不同結(jié)構(gòu)多凹槽葉頂?shù)臋M向比較來看,在葉頂靠近前緣區(qū)域,單凹槽葉頂和二凹槽葉頂有更高的冷效值,其冷效分布主要集中在氣膜孔下游。三凹槽葉頂和四凹槽葉頂由于肋片的影響,這個(gè)區(qū)域內(nèi)的冷效值低于單凹槽葉頂和二凹槽葉頂,但其冷效的分布范圍更廣。在葉頂中部,由于肋片的阻擋,多凹槽葉頂在低吹風(fēng)比下冷氣吹向葉頂壓力面?zhèn)?使得其冷卻保護(hù)效果較為明顯。在吹風(fēng)比較大時(shí),多凹槽葉頂表面難以形成明顯的冷氣軌跡,冷氣能夠充滿整個(gè)凹槽,因此葉頂中部能夠得到有效的冷卻。在葉頂靠近尾緣區(qū)域,單凹槽葉頂展示了比多凹槽葉頂更好的冷卻效果,這是因?yàn)樵诙喟疾廴~頂內(nèi),由于肋片的阻擋,葉頂中前部的冷氣難以到達(dá)尾緣區(qū)域。

圖8給出了不同結(jié)構(gòu)的多凹槽葉頂節(jié)距方向冷效平均值的分布曲線。從整體上來看,所有多凹槽葉頂?shù)睦湫г谥邢覅^(qū)(z/Caz=0.2～0.8)均隨著吹風(fēng)比的增大而提高,在靠近前緣和尾緣區(qū)域的冷效受吹風(fēng)比影響較小。具體地,單凹槽葉頂?shù)睦湫Х逯党霈F(xiàn)在z/Caz=0.8附近,這是因?yàn)閱伟疾廴~頂內(nèi)的冷氣能夠達(dá)到尾緣區(qū)域,并且靠近尾緣處葉片較薄,冷效值在節(jié)距方向均值較大。而在三凹槽和四凹槽葉頂內(nèi),除了在z/Caz=0.8附近有較高的冷效值,在z/Caz=0.4～0.6范圍的冷效值也較高。

(a)單凹槽葉頂

圖9比較了試驗(yàn)測量的不同結(jié)構(gòu)多凹槽葉頂節(jié)距方向冷效平均值,可知在低吹風(fēng)比(M=1.0)下,不同結(jié)構(gòu)的多凹槽葉頂之間的冷效值差異不大。在高吹風(fēng)比(M=2.0)下,四凹槽葉頂在z/Caz=0.2～0.5時(shí)冷效值最高,三凹槽葉頂次之;在z/Caz=0.2～0.5范圍內(nèi),單凹槽葉頂和三凹槽葉頂冷效值最高;在靠近尾緣區(qū)域,單凹槽葉頂冷效值最高。綜上所述,多凹槽葉頂主要提高了葉頂中前部的冷效值,在葉頂中后部,單凹槽葉頂冷效值依舊最高。

(a)M=1.0

2.2 氣動(dòng)特性

為了進(jìn)一步解釋不同結(jié)構(gòu)的多凹槽葉頂表面冷效分布的差異,圖10給出了數(shù)值計(jì)算預(yù)測的葉頂附近冷氣三維流線圖。由圖10可知,對于單凹槽葉頂,葉頂中前部的冷氣伴隨著凹槽渦向下游發(fā)展,并在吸力面?zhèn)攘鞒鋈~頂間隙。在二凹槽葉頂內(nèi),由于肋片在葉頂中部,對于葉頂中前部的冷氣發(fā)展影響不大,圖7中二凹槽葉頂和單凹槽葉頂在葉頂中前部的冷效分布差異較小。而在三凹槽和四凹槽葉頂內(nèi),第一個(gè)肋片靠近前緣,并且肋片之間的距離較小。由于肋片的阻擋,冷氣在肋片與肩壁形成的腔內(nèi)形成了渦,改變了冷氣的發(fā)展軌跡,使得冷氣能夠充滿整個(gè)腔,提高了當(dāng)?shù)氐睦鋮s效果。

(a)單凹槽葉頂

圖11給出了葉頂不同截面內(nèi)由無量綱溫度表示的冷氣分布,可知肋片明顯改變了冷氣在凹槽內(nèi)的分布。在截面1、2,相比單凹槽葉頂,二凹槽葉頂?shù)睦錃夥植疾顒e不大,這是因?yàn)槔咂挥谌~頂中部,對葉頂中前部的冷氣影響較小。而在三凹槽和四凹槽葉頂內(nèi),截面1、2的冷氣分布范圍更大,并且冷氣的溫度更低。在截面3,由于四凹槽葉頂內(nèi)肋片和肩壁形成的腔較小,冷氣能夠充分覆蓋當(dāng)?shù)厝~頂表面,冷氣的分布范圍也比單凹槽葉頂更大,其溫度也較低。二凹槽和三凹槽葉頂在截面3內(nèi)的冷氣分布范圍也比單凹槽葉頂大,但冷氣的溫度也更低。對于截面4,由于肋片的阻擋,多凹槽葉頂內(nèi)葉頂中前部的冷氣難以到達(dá)葉頂靠近尾緣區(qū)域,所以多凹槽葉頂在截面4的冷氣分布范圍比單凹槽葉頂小,溫度也更高。這也解釋了圖7中單凹槽葉頂在靠近尾緣區(qū)域的冷卻效果更好。

(a)單凹槽葉頂

葉頂泄漏損失是透平氣動(dòng)損失的重要來源之一,文獻(xiàn)[30]指出,透平級(jí)中1/3的損失都是由葉頂泄漏流損失造成的。圖12給出了葉柵尾緣下游30%軸向弦長(z/Caz=1.3)處截面的總壓損失分布云圖,總壓損失系數(shù)Cps定義為

(4)

(5)

式中:p0,ref為參考總壓,為主流進(jìn)口總壓以及3個(gè)冷氣進(jìn)口總壓的質(zhì)量流量加權(quán)平均值;p0,local為當(dāng)?shù)乜倝?plocal為當(dāng)?shù)仂o壓。由圖12可知,此截面有3個(gè)明顯的損失核心,分別對應(yīng)葉頂泄漏渦、上通道渦和下通道渦。其中葉頂泄漏渦的影響范圍最大,并且其總壓損失系數(shù)值最大,上通道渦次之,下通道渦影響范圍和損失均最小。單凹槽葉頂?shù)男孤u區(qū)域最大,并和上通道渦干涉;三凹槽葉頂和單凹槽葉頂類似,但其上通道渦的影響范圍較單凹槽葉頂小。對于二凹槽和四凹槽葉頂,葉頂泄漏渦、上通道渦之間有明顯的界限,并且泄漏渦和上通道渦的影響范圍和損失系數(shù)值均小于單凹槽葉頂,其中四凹槽葉頂最小。

(a)單凹槽葉頂

圖13比較了不同結(jié)構(gòu)多凹槽葉頂總壓損失系數(shù)面積均值,可知隨著吹風(fēng)比增加,任一凹槽葉頂?shù)目倝簱p失呈近似線性增長。當(dāng)M為1.5時(shí),相比于傳統(tǒng)的單凹槽葉頂,多凹槽葉頂能夠明顯降低總壓損失,其中二凹槽、四凹槽葉頂總壓損失系數(shù)值分別降低了17.9%、20.9%。

圖13 多凹槽葉頂總壓損失系數(shù)面積平均值

為了解釋圖12、圖13中總壓損失分布的差異,圖14給出了葉頂吸力側(cè)間隙出口泄漏流量沿軸向分布,圖14中灰色條帶為肋條位置。

圖14 葉頂泄漏流量沿軸向分布

由圖14可知,在z/Caz=0～0.1范圍內(nèi),葉頂?shù)男孤┝髁烤鶠樨?fù)值,這是因?yàn)槿~頂靠近前緣處的泄漏流由葉片進(jìn)出口壓差驅(qū)動(dòng),主流從吸力側(cè)進(jìn)入葉頂間隙后又從吸力側(cè)流出葉頂間隙。在z/Caz=0～0.3范圍內(nèi),多凹槽葉頂?shù)男孤┝髁扛哂趥鹘y(tǒng)的單凹槽葉頂,其中三凹槽和四凹槽葉頂泄漏流量最大。這是因?yàn)槿疾酆退陌疾廴~頂?shù)牡谝粋€(gè)肋片位于z/Caz=0.32,由于肋片的阻擋,泄漏流和冷氣不能在凹槽內(nèi)發(fā)展而從葉頂間隙流出。在第一個(gè)肋片后部,三凹槽和四凹槽葉頂泄漏流量驟降,而二凹槽和單凹槽葉頂?shù)男孤┝烤^高。在葉頂中部(z/Caz=0.3～0.7),單凹槽葉頂?shù)男孤┝勘榷喟疾廴~頂更大,而此區(qū)域的泄漏流主要影響上通道渦,因此圖12中單凹槽葉頂在上通道渦的損失較大。由于三凹槽葉頂在此區(qū)域沒有肋片,而四凹槽和二凹槽葉頂在z/Caz=0.52有一個(gè)肋片,所以四凹槽和二凹槽葉頂在此區(qū)域的泄漏流量小于三凹槽葉頂。圖12中三凹槽葉頂?shù)纳贤ǖ罍u的損失也較大,但小于單凹槽葉頂。在葉頂靠近尾緣處(z/Caz=0.7～1.0),單凹槽葉頂?shù)男孤┝髁渴冀K高于多凹槽葉頂,此區(qū)域的泄漏流主要影響泄漏渦,因此圖12中單凹槽葉頂泄漏渦處的總壓損失也較大。

3 結(jié) 論

本文研究了透平動(dòng)葉多凹槽葉頂?shù)臍饽だ鋮s特性,應(yīng)用壓力敏感漆技術(shù)通過試驗(yàn)測量了多凹槽葉頂表面的氣膜冷卻有效度分布,同時(shí)結(jié)合數(shù)值模擬方法分析了多凹槽葉頂內(nèi)的流場結(jié)構(gòu),最后比較了不同結(jié)構(gòu)的多凹槽葉頂?shù)臍鈩?dòng)性能。得出如下主要結(jié)論。

(1)多凹槽葉頂中的肋片改變了葉頂間隙內(nèi)的流場結(jié)構(gòu),主要是肋片阻擋了冷氣在凹槽內(nèi)沿著下游發(fā)展,使得冷氣充滿了肋片和肩壁形成的腔,提高了當(dāng)?shù)氐睦鋮s效果。相比傳統(tǒng)的單凹槽葉頂,四凹槽葉頂在較大吹風(fēng)比時(shí)提高了葉頂中部的冷卻效果,在葉頂中后部,傳統(tǒng)的單凹槽葉頂冷效值最高,但在吹風(fēng)比較低時(shí),多凹槽葉頂并無明顯優(yōu)勢。

(2)多凹槽葉頂能夠明顯降低葉柵通道內(nèi)的總壓損失。相比于傳統(tǒng)的單凹槽葉頂,二凹槽、四凹槽葉頂總壓損失系數(shù)值分別降低了17.9%、20.9%。

由于試驗(yàn)條件限制,本文所采用的試驗(yàn)工況為低速靜止工況,與實(shí)際燃?xì)馔钙絼?dòng)葉的高溫高速旋轉(zhuǎn)工況有所不同。但試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷脑O(shè)計(jì)來源于實(shí)際燃?xì)馔钙絼?dòng)葉,并且氣膜冷卻研究中吹風(fēng)比等重要參數(shù)均參考實(shí)際燃機(jī)工況,所采用的試驗(yàn)方法也可以得到葉頂?shù)睦鋮s特性,因此本文得到的結(jié)論對于葉頂冷卻設(shè)計(jì)仍具有比較重要的參考價(jià)值。