葉片前緣氣膜冷卻離散孔下游流動特性的試驗研究

李少華, 曲宏偉, 張 玲, 李知駿

(東北電力大學 能源與動力工程學院,吉林132012)

葉柵流場結(jié)構(gòu)的研究結(jié)果為理解冷氣射流與高溫燃氣主流摻混機理[1]以及分析如何提高航空發(fā)動機推重比奠定了良好的基礎(chǔ).

隨著航空燃氣輪機推重比的逐漸增大,航空渦輪前燃氣溫度也逐漸提高.高溫高壓的主流燃氣與溫度相對較低的射流摻混,摻混流體對渦輪氣動性能造成的影響也逐步成為渦輪設(shè)計時不可回避的問題.從20世紀90年代開始,關(guān)于摻混流體對渦輪流場影響的研究得到了航空動力研究者的普遍重視.透平葉片冷卻技術(shù)是發(fā)展燃氣輪機的關(guān)鍵技術(shù)之一,是燃氣初溫提高的根本保證.氣膜冷卻技術(shù)作為保護燃氣輪機葉片免受高溫腐蝕的有效手段之一,國內(nèi)外學者對其進行了大量研究.在試驗方面:Luckey等[2]在普渡大學完成了有關(guān)葉片前緣氣膜冷卻的一些早期工作;Yavuzkurt[3]早在1981年對離散孔氣膜冷卻流場進行了比較詳細的試驗研究;廖國期等[4]對離散孔下游邊界層進行了試驗研究,得出了吹風比和上游孔排數(shù)是影響氣膜冷卻邊界層參數(shù)分布的重要因素的結(jié)論;喬渭陽等[5]對氣膜孔噴氣對渦輪氣動性能造成的影響進行了試驗研究,認為在葉片表面不同位置的氣膜孔噴氣對渦輪葉柵流動損失和流動結(jié)構(gòu)造成的影響不同.在數(shù)值模擬方面:郭婷婷等[6]對不同形狀氣膜孔對氣膜冷卻效果的影響進行了研究;蔣雪輝等[7]對非定常尾跡對氣膜冷卻的影響進行了研究,發(fā)現(xiàn)葉片尾跡會使冷卻氣流的流向發(fā)生很大的改變.

隨著計算流體力學和計算機技術(shù)的發(fā)展,人們在氣膜冷卻數(shù)值模擬方面進行了大量研究,但是數(shù)值模擬計算必須以試驗研究為基礎(chǔ).在前人研究成果的基礎(chǔ)上,筆者自行設(shè)計了試驗臺,對氣膜冷卻流場進行了測量,目的是比較不同吹風比下壓力面和吸力面氣膜孔下游處沿周向方向二維速度u、v的變化,并找出u、v的變化對葉片下游混合流體貼壁性的影響.

1 試驗裝置

試驗測量是在東北電力大學風洞實驗室內(nèi)完成的.主流系統(tǒng)為吸入式風洞,風洞主氣流經(jīng)過蜂窩器和阻尼網(wǎng)段,對氣流進行整流以減小入口氣流的湍流度,從而得到較平穩(wěn)的層流氣流.收縮段曲面型面按照維托辛斯基軸對稱計算公式設(shè)計加工,這樣一方面可以減小由于試驗段收縮所產(chǎn)生的壓力損失,另一方面有助于把壓力能轉(zhuǎn)化為動能.試驗使用美國TSI公司的Model IFA 300型熱膜風速儀,使用X型探針測量流體二維速度.主流氣源利用Sanken MF-7.5K-380全數(shù)字變頻調(diào)速器(變頻范圍為0.00～50.00 Hz)調(diào)節(jié)離心式風機,以實現(xiàn)對試驗所需風速的控制.本試驗設(shè)置風速為10 m/s,流速用皮托管在發(fā)展段末端測量,該點氣流可以認為是二維流動的.射流氣源由空氣壓縮機提供,通過調(diào)節(jié)空氣壓縮機出口處的減壓閥和流量計控制閥來控制射流氣體流量.圖1為試驗裝置示意圖.

圖1 靜葉柵風洞試驗裝置示意圖Fig.1 Ex perimental setup of wind tunnel test for static cascade

2 試驗工況

為了適應葉柵通道的形狀,大試驗段加工成S型,材質(zhì)選用10 mm厚的有機玻璃,以便于觀測.大試驗段內(nèi)口矩形截面尺寸為450 mm×350 mm.以美國航空航天局Lewis研究中心公布的MARKⅡ葉柵數(shù)據(jù)為研究葉片,葉型的詳細幾何參數(shù)參見文獻[8].由于實際葉片尺寸太小,在現(xiàn)有實驗室條件下進行測量十分困難,故采用了放大模型,根據(jù)相似理論將實際葉片放大2倍.試驗葉片用有機玻璃制成,加工成中空形狀.在葉片的壓力面、吸力面和前緣各加工有一排氣膜孔.考慮到排氣膜孔間周期性原則,故選取滯止線處6個氣膜孔,壓力面和吸力面處各7個氣膜孔進行研究.試驗孔排間氣膜孔實行叉排布置方式.各排間孔的相對位置及葉片參數(shù)見表1.葉片與氣膜孔的實物示意圖見圖2.

選取前緣滯止點上中間射流孔中心為坐標原點,選取z/d=0為測量面(z/d表示葉片展向方向的間距與孔徑之比).沿流向(x軸方向)取x/d=4、8、15和25四個測量面(x/d表示流線方向的間距與孔徑之比),在這四個測量面上分別以葉片表面為起點,沿y軸取若干測點(y/d表示葉片周向方向的間距與孔徑之比).考慮到葉片的曲率較大,對從前到后測點移動方向與葉片型面夾角的影響較小,在本試驗中可以忽略不計.速度u表示沿x方向的速度分布,v表示沿y方向的速度分布.本試驗測點圖像處理時的縱坐標y′/d表示沿y軸方向測點到葉片表面的距離與孔徑之比.葉片測量位置示意圖見圖3.

表1 葉片和氣膜孔幾何參數(shù)Tab.1 Geometry of cascade and f ilm cooling hole

圖2 試驗件輪廓圖Fig.2 Photo of the test piece

3 熱膜風速儀的測量方法及原理

圖3 葉片測量位置示意圖Fig.3 Schematic diagram of the blade and the measuring location

圖4 探針相對位置示意圖Fig.4 Relative p osition of the sensor

當2個敏感元件分別處于u1、u2平面且相互成90°時,對每一個敏感元件都可以根據(jù)Jorgensen方程得到單位長度的熱損耗ueff:

式中:α1為u1與敏感元件B之間的夾角;k為考慮到沿射線方向熱轉(zhuǎn)換而引入的偏航因子.

選取敏感元件足夠長,則k→0,選取坐標系使得u3=0,調(diào)整使 α1=45°,整理得:

即把兩個恒溫式流速計的線性輸出電壓相加就可得u1,而相減就可得u2,探針的詳細使用說明參見文獻[9].

4 結(jié)果與分析

4.1 壓力面速度分析

圖5給出了吹風比M=0.5和M=1.5時葉片壓力面各位置處速度u的周向分布.

圖5 葉片壓力面速度u沿流向不同位置周向分布Fig.5 Circumferential distribution of velocity u on pressure surface

由圖中葉片壓力面一側(cè)速度u的分布可以看出,兩種吹風比下x/d方向速度沿程分布的變化趨勢基本一致,都是沿著y/d增大方向逐漸增大,速度值達到最大后再逐漸穩(wěn)定到主流速度并保持此值,這是因為主流受到射流摻混擾動后發(fā)生彎曲,在彎曲的位置產(chǎn)生一定的切向速度所致.在相同吹風比下,隨著x/d的增大(即沿著葉片流線方向),速度u達到穩(wěn)定值的位置上提,這是由于彎曲流動中葉片流線方向曲率梯度減小了主流壓力,主流和射流的混合流體沿流線方向逐漸減弱而形成的,這個結(jié)論與Schwarz等[10]闡述的理論一致.在x/d=8和x/d=15處,近葉片表面區(qū)域出現(xiàn)了明顯的回流現(xiàn)象,這是因為此兩位置處于壓力面流線的曲率較大處,射流與主流摻混流體借助大的葉片曲率型面產(chǎn)生卷吸運動而形成的.

圖6給出了M=0.5和M=1.5時葉片壓力面各位置處速度v的周向分布.

圖6 葉片壓力面速度v沿流向不同位置周向分布Fig.6 Circumferential distribution of velocity v on pressure surface

由壓力面一側(cè)速度v的周向分布可以看出,射流垂直于葉片切線平面方向入射.葉片前緣主射流摻混較強的區(qū)域內(nèi),在位置x/d=4處的v值變化較大.M=1.5時,在x/d=4處的v出現(xiàn)了很明顯的波動.隨著沿孔下游距離的增加(x/d=8和x/d=15),射流與主流得到充分摻混,主流受葉片型面流線的影響較大,速度v的變化也較大并表現(xiàn)出不規(guī)則性.x/d=25的尾緣處邊界層分離,使得速度v整體上趨于負值,并且離壁面越遠負值越大,證明流動已進入尾渦區(qū).

4.2 吸力面速度分析

圖7給出了M=0.5和M=1.5時葉片吸力面在不同位置處速度u的周向分布.

由于吸力面葉片型面弧線曲率梯度小于壓力面,所以吸力面的速度u梯度明顯大于壓力面,吸力面的貼壁性好于壓力面.從x/d=4至x/d=15區(qū)間內(nèi),近壁處的速度最大值呈上升趨勢,說明此區(qū)間為加速段.在x/d=25位置處,速度最大值減小到與初始位置x/d=4處的值相近,說明氣流加速段處于x/d=15至x/d=25區(qū)間內(nèi),混合流體在加速段脫離壁面后產(chǎn)生回流又被主流壓回到葉片表面,此時有很好的貼壁性.M=0.5和M=1.5的圖像很相似,只是在M=1.5、x/d=4時,u的曲線在y/d=3至y/d=9的區(qū)間有回流現(xiàn)象,這是由于在大的射流比下主射流摻混在葉片前緣產(chǎn)生二次流所致. 圖8給出了M=0.5和M=1.5時葉片吸力面在不同位置處速度v的周向分布.

圖7 葉片吸力面速度u沿流向不同位置周向分布Fig.7 Circumferential distribution of velocity u on suction surface

在靠近吸力面前緣x/d=4和8位置處葉片的曲率較大,射流與主流摻混后先是脫離壁面后又被壓回到壁面.在x/d=15和25位置,近壁處速度值出現(xiàn)負值,說明此位置流體處于葉片的近尾緣區(qū)域,混合流體受到壁面的影響較大,出現(xiàn)了明顯的二次流,尤其是在x/d=25位置處更明顯.從圖中可以看出M=0.5和M=1.5的圖像很相似,氣流有很好的貼壁性,這是因為吸力面氣流加速段較長、葉片曲率相對于壓力面較小這一共同原因所形成的.

5 結(jié) 論

(1)熱膜風速儀作為一種可靠的測量速度的手段,可以準確獲得流體流向和周向速度信息,為在微觀上研究流體的摻混情況以及貼壁性提供了很好的技術(shù)支撐.

(2)在試驗葉片的壓力面和吸力面上,當射流比增大時,射流與主流摻混流體的作用中心上移,貼壁性相對小射流比時差.

圖8 葉片吸力面速度v沿流向不同位置周向分布Fig.8 Circumferential distribution of velocity v on suction surface

(3)吸力面速度u梯度明顯增加,貼壁性相對來說好于壓力面.在大射流比下,葉片前緣主射流摻混產(chǎn)生二次流,使得在y/d的某區(qū)間內(nèi)有回流現(xiàn)象出現(xiàn).吸力面氣流加速段較長,同時葉片曲率相對于壓力面小,氣流有很好的貼壁性,吹風比對速度v的影響較小.

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