渦輪葉片帶肋U型通道水流模擬試驗(yàn)研究

劉　波，王永紅，張　琳（中國燃?xì)鉁u輪研究院，成都610500）

渦輪葉片帶肋U型通道水流模擬試驗(yàn)研究

劉波，王永紅，張琳
（中國燃?xì)鉁u輪研究院，成都610500）

摘要：針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)高壓渦輪葉片尖部帶肋U型通道、根部帶肋U型通道和有尾緣劈縫尖部帶肋U型通道放大模型，在保證幾何面積相似、冷氣流和水流進(jìn)口雷諾數(shù)相等的條件下，分別采用紅墨水和氮?dú)庾鳛槭聚檮┻M(jìn)行水流模擬試驗(yàn)，顯示三種帶肋U型通道的流動(dòng)情況。試驗(yàn)結(jié)果表明，兩種尖部帶肋U型通道不存在滯止區(qū)，滿足設(shè)計(jì)要求；根部帶肋U型通道中氣流發(fā)生分離，流場不穩(wěn)定，需要調(diào)整肋的位置。

關(guān)鍵詞：航空發(fā)動(dòng)機(jī)；渦輪葉片；帶肋U型通道；水流模擬；示蹤劑；紅墨水；氮?dú)馀?/p>

1　引言

隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能和渦輪前燃?xì)鉁囟鹊牟粩嗵岣?，高壓渦輪葉片的冷卻逐漸成為人們必須面對(duì)的難題。國內(nèi)外對(duì)于航空發(fā)動(dòng)機(jī)高壓渦輪葉片內(nèi)部回轉(zhuǎn)通道冷卻結(jié)構(gòu)的研究，主要是針對(duì)通道內(nèi)強(qiáng)化肋的形式、結(jié)構(gòu)和通道的面積對(duì)回轉(zhuǎn)通道流動(dòng)與換熱的影響［1-6］。研究表明，肋片的形式、結(jié)構(gòu)和通道的面積對(duì)通道內(nèi)流體的流動(dòng)影響很大，通道流阻過大將造成很大的沿程壓力損失。而沿程壓力損失設(shè)計(jì)不合理，將不能很好地組織氣膜孔的出流量，甚至可造成局部燃?xì)獾构喽鴵p壞葉片。高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片為強(qiáng)化前緣換熱，普遍采用多腔帶肋U型通道結(jié)構(gòu)［7-8］。在葉片冷卻通道中，由于空間的限制，U型通道必須做得十分緊湊，彎管部分的曲率很大，以至于在彎管下游甚至在彎管進(jìn)口會(huì)發(fā)生流動(dòng)分離，造成通道內(nèi)的流動(dòng)十分復(fù)雜。因此，研究帶肋U型通道的流動(dòng)特性，是葉片通道內(nèi)冷結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要前提條件。國內(nèi)外對(duì)渦輪葉片內(nèi)部回轉(zhuǎn)通道冷卻結(jié)構(gòu)損失的研究，主要是通過測量進(jìn)出口氣流壓力，來確定流動(dòng)損失。而對(duì)于回轉(zhuǎn)通道內(nèi)部流場顯示試驗(yàn)研究主要采用兩種方法：一種是氣體流動(dòng)試驗(yàn)，采用示蹤粒子和PIV粒子圖像測速法，顯示流動(dòng)細(xì)節(jié)。這種方法對(duì)試驗(yàn)設(shè)備和試驗(yàn)人員要求很高，成本也比較昂貴。另一種是水流模擬試驗(yàn)，采用示蹤粒子和照相方法，顯示流動(dòng)細(xì)節(jié)。這種方法更容易實(shí)現(xiàn)，效果比較好，成本也比較低。國內(nèi)對(duì)渦輪葉片內(nèi)部回轉(zhuǎn)通道冷卻結(jié)構(gòu)損失研究較多，但對(duì)流場顯示試驗(yàn)研究很少。

本文在國內(nèi)首次采用水流模擬試驗(yàn)方法，對(duì)三種不同帶肋U型通道放大模型的流場進(jìn)行模擬試驗(yàn)，以此來評(píng)估葉片內(nèi)冷通道中關(guān)鍵的根部和尖部區(qū)域的流動(dòng)情況，檢查回轉(zhuǎn)通道區(qū)域可能存在的滯止區(qū)，驗(yàn)證葉片冷卻通道回轉(zhuǎn)區(qū)域設(shè)計(jì)是否達(dá)到所希望的流動(dòng)情況，以提高葉片設(shè)計(jì)的可靠性，盡可能減少設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)，為今后的設(shè)計(jì)工作積累寶貴經(jīng)驗(yàn)，增加技術(shù)儲(chǔ)備。

2　試驗(yàn)件及試驗(yàn)方法

高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片水流模擬試驗(yàn)件由進(jìn)口段、轉(zhuǎn)折段和試驗(yàn)段三部分組成。其中試驗(yàn)段包括三個(gè)由有機(jī)玻璃粘接而成的獨(dú)立試驗(yàn)段，分別模擬葉片尖部帶肋U型通道結(jié)構(gòu)、根部帶肋U型通道結(jié)構(gòu)和有尾緣劈縫尖部帶肋U型通道結(jié)構(gòu)，見圖1。試驗(yàn)時(shí)，三個(gè)試驗(yàn)段分別與進(jìn)口段和轉(zhuǎn)折段相連，組成三個(gè)不同的試驗(yàn)件分別進(jìn)行試驗(yàn)，各設(shè)1個(gè)示蹤劑注入孔。

渦輪葉片帶肋U型通道水流模擬試驗(yàn)在專用水流模擬試驗(yàn)器上進(jìn)行。試驗(yàn)時(shí)，采用的循環(huán)水由體積為12 m3的水池提供；一臺(tái)28 kW的水泵提供170 t/h的水流量，揚(yáng)程為32 m，用于滿足試驗(yàn)需要的水流量和壓力。試驗(yàn)件進(jìn)、出口水流量用渦輪流量計(jì)測量，進(jìn)口水溫用鉑電阻測量，進(jìn)口水壓用壓力表監(jiān)視。照相光源由兩個(gè)1 kW點(diǎn)弧氙燈提供，采用數(shù)碼攝像機(jī)攝像。

在保證幾何面積相似、冷氣流和水流進(jìn)口雷諾數(shù)相等的條件下，對(duì)三個(gè)試驗(yàn)段分別進(jìn)行葉片內(nèi)部U型通道水流模擬試驗(yàn)。試驗(yàn)段安裝好后，對(duì)試驗(yàn)件供水，調(diào)整進(jìn)、出口水流量，直至達(dá)到試驗(yàn)狀態(tài)，并監(jiān)測進(jìn)口壓力。分別用紅墨水和氮?dú)庾鳛槭聚檮?，通過示蹤劑注入孔注入流道的不同位置，以顯示流動(dòng)情況，并用數(shù)碼攝像機(jī)記錄。

圖1　帶肋U型通道試驗(yàn)段Fig.1 Test sections of blade with ribbed U-shaped channels

3　試驗(yàn)結(jié)果

3.1葉片尖部帶肋U型通道試驗(yàn)段

葉片尖部帶肋U型通道試驗(yàn)段流動(dòng)情況如圖2、圖3所示。從圖中可看出：尖部轉(zhuǎn)折處的頂部出氣孔對(duì)氣流有很強(qiáng)的吸力，從而使得葉尖轉(zhuǎn)角處不會(huì)形成滯止區(qū)；兩腔中間隔板端部氣流轉(zhuǎn)折處雖然存在回流區(qū)，但其紊流度很大，所以也不存在滯止區(qū)；轉(zhuǎn)折處其他區(qū)域的流動(dòng)都比較穩(wěn)定。

3.2葉片根部帶肋U型通道試驗(yàn)段

葉片根部帶肋U型通道試驗(yàn)段流動(dòng)情況如圖4和圖5所示。從圖中可看出：3腔根部最后一條肋對(duì)氣流有較強(qiáng)干擾，氣流流過該條肋時(shí)受到的阻力較大，發(fā)生了分離，破壞了氣流的正常流動(dòng)。由于氣流發(fā)生分離，整個(gè)流道的流動(dòng)都不穩(wěn)定。

圖2　尖部帶肋U型通道水流試驗(yàn)結(jié)果（紅墨水）Fig.2 The water flow test results of tip-ribbed U-shaped channels（red ink）

圖3　尖部帶肋U型通道水流試驗(yàn)結(jié)果（氮?dú)馀荩〧ig.3 The water flow test results of tip-ribbed U-shaped channels（nitrogen bubbles）

圖4　根部帶肋U型通道水流試驗(yàn)結(jié)果（紅墨水）Fig.4 The water flow test results of root-ribbed U-shaped channels（red ink）

圖5　根部帶肋U型通道水流試驗(yàn)結(jié)果（氮?dú)馀荩〧ig.5 The water flow test results of root-ribbed U-shaped channels（nitrogen bubbles）

3.3有尾緣劈縫尖部帶肋U型通道試驗(yàn)段

有尾緣劈縫尖部帶肋U型通道試驗(yàn)段流動(dòng)情況如圖6、圖7所示。從圖中可看出：頂部出氣孔對(duì)氣流有很強(qiáng)的吸力，這樣在葉尖轉(zhuǎn)角處雖然存在回流區(qū)，但因其紊流度很大，不會(huì)形成滯止區(qū)；在5腔尾緣通道尖部角落，不存在回旋區(qū)；在兩腔中間隔板端部氣流轉(zhuǎn)折處，雖然存在回流區(qū)，但其紊流度很大，所以也不存在滯止區(qū)；轉(zhuǎn)折處其他區(qū)域的流動(dòng)都比較穩(wěn)定。

圖6　有尾緣劈縫尖部帶肋U型通道水流試驗(yàn)結(jié)果（紅墨水）Fig.6 The water flow test results of tip-ribbed U-shaped channels with trailing edge slot（red ink）

圖7　有尾緣劈縫尖部帶肋U型通道水流試驗(yàn)結(jié)果（氮?dú)馀荩〧ig.7 The water flow test results of tip-ribbed U-shaped channels with trailing edge slot（nitrogen bubbles）

4　結(jié)論

（1）葉片尖部帶肋U型通道的流動(dòng)，不存在滯止區(qū)，可滿足設(shè)計(jì)要求。

（2）根部帶肋U型通道，由于氣流發(fā)生分離，流場不穩(wěn)定。建議將3腔根部最后一條肋向上移至轉(zhuǎn)折處以上位置，以減小其對(duì)氣流的干擾，利于氣流穩(wěn)定流動(dòng)。

（3）有尾緣劈縫尖部帶肋U型通道的流動(dòng)，不存在滯止區(qū)，可滿足設(shè)計(jì)要求。

（4）染色劑法和氣泡法，都能比較清楚地顯示葉片內(nèi)部U型通道的流動(dòng)。

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中圖分類號(hào)：V232.4；V263.3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1672-2620（2015）03-0039-04

收稿日期：2014-07-27；修回日期：2015-05-10

作者簡介：劉波（1967-），男，山東牟平人，研究員，碩士，主要從事航空發(fā)動(dòng)機(jī)空氣系統(tǒng)、渦輪葉片冷卻、熱分析設(shè)計(jì)及相關(guān)課題研究。

Experimental research on ribbed U-shaped channels of turbine blade by water flow simulation

LIU Bo，WANG Yong-hong，ZHANG Lin
（China Gas Turbine Establishment，Chengdu 610500，China）

Abstract：Water flow simulation experiments were conducted to investigate ribbed U-shaped channel models of an aero-engine high pressure turbine blade，which were tip-ribbed，root-ribbed，and tip-ribbed with trailing edge slot.The tests were made under the conditions of similar geometric area，equal Reynolds number of water and cool air flow inlet.Red ink and nitrogen were used as tracers to show the flow conditions of the three types of ribbed U-shaped channels.The experimental results indicate that there are no stagnation zones in the two tip-ribbed U-shaped channels，which meet the design requirements，and there is flow separation in the root-ribbed U-shaped channel causing flow instability and therefore the position of rib needs to be adjusted.

Key words：aero-engine；turbine blade；ribbed U-shaped channels；water flow simulation；tracers；red ink；nitrogen bubbles