渦輪葉片雙排氣膜冷卻效率疊加計(jì)算準(zhǔn)確性研究

孟通, 朱惠人, 劉存良, 徐博涵

(西北工業(yè)大學(xué)動(dòng)力與能源學(xué)院, 710072, 西安)

隨著現(xiàn)代渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的發(fā)展,渦輪前溫度逐漸提高,渦輪葉片的熱負(fù)荷隨之增加,因此需要先進(jìn)的冷卻方式來(lái)保證發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件的正常工作[1]。典型的渦輪葉片外部冷卻方式為氣膜冷卻,即在渦輪葉片表面及端壁附近布置一排或多排離散氣膜孔以達(dá)到冷卻的目的。大部分的氣膜冷卻設(shè)計(jì)中都采用多排氣膜孔的冷卻方式,此時(shí)孔排氣膜間存在相互作用,因此學(xué)者們對(duì)氣膜間的流動(dòng)換熱規(guī)律以及如何準(zhǔn)確地估算多排氣膜的冷卻效率方面做了大量的研究工作。

Han等最早對(duì)多排氣膜冷卻間相互作用的規(guī)律進(jìn)行分析,并提出應(yīng)用單排氣膜冷卻效率計(jì)算多排氣膜冷效[2],然而影響最大、應(yīng)用最廣泛的是由Sellers基于雙排的二維縫孔模型提出的計(jì)算方法[3],其基本原理可以概括如下。

首先,氣膜冷卻效率定義為由主流燃?xì)鉁囟萒g、壁面附近處的絕熱壁面溫度Taw以及冷氣溫度Tc共同組成的量綱為1的參數(shù)

(1)

在疊加計(jì)算的基本模型中,將前一級(jí)氣膜的氣膜摻混后的絕熱壁溫作為本級(jí)氣膜的主流溫度來(lái)計(jì)算本級(jí)的氣膜冷卻效率,經(jīng)過(guò)推導(dǎo)可以得到

(2)

式中:ηi(x)為第i排氣膜單獨(dú)存在時(shí)的氣膜冷卻效率。Sellers的疊加計(jì)算模型對(duì)于二維縫孔基本是準(zhǔn)確的,但目前渦輪葉片中常用的氣膜孔型為離散的三維氣膜孔,因此許多學(xué)者對(duì)于此計(jì)算方法在三維氣膜孔中的應(yīng)用進(jìn)行了研究。學(xué)者們首先研究了平板上的氣膜冷卻效率疊加規(guī)律。Han和Mehendale對(duì)氣膜孔排距為2.5D且為叉排的平板雙排氣膜孔結(jié)構(gòu)的疊加效率進(jìn)行了分析研究,結(jié)果表明雙排氣膜孔結(jié)構(gòu)的氣膜冷卻效率的直接測(cè)量值與通過(guò)單排氣膜冷卻效率的疊加計(jì)算值相比偏高[4]。Harrington等研究了平板上全氣膜條件下絕熱氣膜冷卻效率的疊加規(guī)律,其冷卻結(jié)構(gòu)為10排叉排圓形氣膜孔,結(jié)果表明通過(guò)疊加所得冷卻效率與測(cè)量值相比偏高[5]。Sasaki等通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了氣膜孔間距為3D時(shí)冷卻效率的疊加計(jì)算準(zhǔn)確性,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明Sellers疊加計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)測(cè)量值較接近[6]。Saumweber等研究了平板上雙排氣膜孔(包括圓柱型氣膜孔和扇形氣膜孔)的冷卻效率疊加規(guī)律,研究表明Sellers疊加算法對(duì)于雙排扇形氣膜孔在低吹風(fēng)比時(shí),第2排孔下游10D后區(qū)域吻合較好,靠近第2排孔位置冷卻效率偏低[7]。

在平板的基礎(chǔ)上,學(xué)者們對(duì)渦輪葉片上的氣膜冷卻效率疊加規(guī)律進(jìn)行了研究。Sakata等研究了渦輪導(dǎo)向葉片上的多排氣膜冷卻效率疊加規(guī)律,結(jié)果表明Sellers疊加計(jì)算方法與實(shí)驗(yàn)測(cè)量值吻合較好[8]。Mhetras和Luckey等研究了渦輪葉片上氣膜冷卻吹風(fēng)比從1.0變化到2.67時(shí)的疊加計(jì)算規(guī)律,其值與實(shí)際值相近[9-10]。Anderson等研究了渦輪葉片前緣的氣膜冷卻效率疊加規(guī)律,結(jié)果表明高動(dòng)量比下疊加計(jì)算值與實(shí)測(cè)值相比較低[11]。Schneider等研究了前緣氣膜對(duì)壓力面扇形孔冷卻效率的疊加規(guī)律影響[12]。其他學(xué)者們對(duì)疊加計(jì)算的適用性同樣進(jìn)行了研究,但由于實(shí)驗(yàn)條件以及測(cè)量準(zhǔn)確性等原因其結(jié)論不盡相同[13-15]。

因此,學(xué)者們?cè)赟ellers疊加公式的基礎(chǔ)上進(jìn)行了修正及改進(jìn)。Andreini等對(duì)Sellers模型進(jìn)行了改進(jìn)并定義了疊加長(zhǎng)度的概念[16]。朱惠人等在疊加公式的基礎(chǔ)上引入了關(guān)于吹風(fēng)比的參數(shù)[17]。Kirollos等對(duì)多排小孔間距結(jié)構(gòu)的氣膜冷卻孔的Sellers公式進(jìn)行了改型,從能量的角度出發(fā)重新計(jì)算了每層氣膜的摻混溫度,進(jìn)而得出精確的氣膜冷卻效率并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果表明基于能量的疊加算法在小孔間距下對(duì)冷卻效率預(yù)測(cè)較準(zhǔn)確[18]。

針對(duì)目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于渦輪葉片上氣膜冷卻效率疊加規(guī)律研究較少的現(xiàn)狀,且多為對(duì)Sellers疊加計(jì)算公式適用性驗(yàn)證研究,而沒(méi)有考慮實(shí)際情況下孔排間相互作用的冷卻機(jī)理,本文針對(duì)3種典型的影響氣膜冷卻效率疊加計(jì)算的因素進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)及計(jì)算研究,總結(jié)其疊加規(guī)律,分析疊加機(jī)理并給出相應(yīng)的疊加公式修正方法。本文豐富了相關(guān)研究?jī)?nèi)容,并可為多排孔冷卻設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

1　實(shí)驗(yàn)裝置及測(cè)量方法

1.1　實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)在低速葉柵風(fēng)洞中進(jìn)行,實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示。系統(tǒng)主要包括主流系統(tǒng)及二次流系統(tǒng)兩部分,其中主流系統(tǒng)包括離心風(fēng)機(jī)、儲(chǔ)氣罐、進(jìn)口穩(wěn)定段、主流穩(wěn)壓箱、蜂窩器、收縮段、加熱器、實(shí)驗(yàn)段等,實(shí)驗(yàn)二次流系統(tǒng)由離心風(fēng)機(jī)、穩(wěn)壓儲(chǔ)氣罐、閥門(mén)、流量計(jì)、加熱器等組成。實(shí)驗(yàn)中葉片及葉柵通道的參數(shù)如表1所示。

表1　葉柵及葉片幾何參數(shù)

渦輪葉片實(shí)驗(yàn)件如圖2所示,葉片采用光固化快速成型(3D打印)工藝加工而成,葉片材料為光敏樹(shù)脂,加工誤差在±0.1 mm以內(nèi)。葉片吸力面及壓力面共布置4排圓柱型氣膜孔,其中壓力面2排氣膜孔,吸力面2排氣膜孔,氣膜孔徑D=0.7 mm。為了研究每排氣膜間的相互作用機(jī)理,需要對(duì)壓力面及吸力面每排氣膜的吹風(fēng)比進(jìn)行精確控制,因此實(shí)驗(yàn)件中位于壓力面及吸力面的4排氣膜孔,每排都分別供氣。

圖2　渦輪葉片實(shí)驗(yàn)件

1.2　實(shí)驗(yàn)測(cè)量方式

本文實(shí)驗(yàn)中采用紅外測(cè)量的方法應(yīng)用瞬態(tài)導(dǎo)熱測(cè)量理論對(duì)葉片表面進(jìn)行全表面測(cè)量。文獻(xiàn)[19]對(duì)瞬態(tài)傳熱測(cè)量理論做了詳細(xì)介紹,為本實(shí)驗(yàn)中的理論依據(jù),本文不再贅述。實(shí)驗(yàn)中通過(guò)K型熱電偶及4718溫度采集模塊對(duì)主流腔及二次流腔的溫度進(jìn)行測(cè)量,葉片表面溫度通過(guò)Xenics Gobi-640-GigE紅外相機(jī)測(cè)量,相機(jī)的像素為640×480。由于主流實(shí)驗(yàn)段不透紅外光,因此在主流實(shí)驗(yàn)段處布置透光率約為0.92的鍺玻璃。實(shí)驗(yàn)測(cè)量中紅外相機(jī)的準(zhǔn)確度受到紅外相機(jī)本身的芯片溫度的影響,因此將紅外相機(jī)測(cè)量溫度與標(biāo)準(zhǔn)熱電偶測(cè)量溫度相對(duì)比,從而對(duì)紅外相機(jī)進(jìn)行校準(zhǔn)。4種芯片溫度的校準(zhǔn)結(jié)果如圖3所示。

1.3　數(shù)據(jù)處理方式實(shí)驗(yàn)誤差分析

本文實(shí)驗(yàn)中主流與二次流溫度通過(guò)K型熱電偶測(cè)量,測(cè)量誤差ΔTc=±0.2 K,渦輪葉片表面溫度通過(guò)紅外相機(jī)測(cè)量,測(cè)量誤差ΔTR=±1 K,時(shí)間測(cè)量誤差Δt=±0.1 s。根據(jù)誤差傳遞公式,可以計(jì)算出實(shí)驗(yàn)中氣膜冷卻效率的誤差約為6.2%[20]。

圖3　紅外相機(jī)校準(zhǔn)曲線

2　計(jì)算模型及網(wǎng)格參數(shù)

2.1　物理模型

為了分析氣膜孔排間的相互作用規(guī)律,本文采用了數(shù)值模擬方法對(duì)相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)工況進(jìn)行計(jì)算研究。吸力面雙排氣膜孔的冷卻效率計(jì)算模型如圖4所示。在某型渦輪葉片基礎(chǔ)上,分別在壓力面及吸力面布置兩排圓柱型氣膜孔,氣膜孔排布方式包括順排及叉排兩種排列方式。在沿葉高方向上氣膜孔布局具有周期性,因此為節(jié)省計(jì)算成本在進(jìn)行數(shù)值計(jì)算時(shí),計(jì)算模型只取一個(gè)周期單元進(jìn)行計(jì)算,在氣膜孔兩側(cè)邊界區(qū)域采用周期性邊界條件,沿葉高方向計(jì)算單元內(nèi)部包括5排氣膜孔。計(jì)算模型中位于壓力面及吸力面處的氣膜孔直徑D=0.7 mm,氣膜孔間距P/D=3。葉片前緣氣膜孔直徑D=0.7 mm,氣膜孔沿葉高方向展向偏角為90°。其余壓力面氣膜孔模型及單排氣膜孔模型與之類似。

圖4　吸力面雙排孔數(shù)值模擬幾何模型

2.2　計(jì)算網(wǎng)格及邊界條件

(a)計(jì)算網(wǎng)格圖　　　　　(b)圖格局部放大圖圖5　吸力面單排氣膜孔數(shù)值計(jì)算網(wǎng)格

圖6　網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

本計(jì)算中網(wǎng)格均采用ICEM CFD 13.0生成。為了準(zhǔn)確計(jì)算邊界層內(nèi)的速度和溫度分布,對(duì)于增強(qiáng)壁面函數(shù),要求鄰近壁面的y+<1,因此各計(jì)算模型在氣膜孔內(nèi)以及鄰近壁面處的網(wǎng)格均添加了Prism邊界層進(jìn)行了加密處理。近壁面處,邊界層有15層,第1層厚度約為0.001 mm,增長(zhǎng)比率為1.15,計(jì)算結(jié)果y+均在1附近,符合要求。圖5為吸力面布置單排氣膜孔的網(wǎng)格示意圖。在進(jìn)行計(jì)算前對(duì)網(wǎng)格無(wú)關(guān)性進(jìn)行了驗(yàn)證,如圖6所示,對(duì)3種數(shù)量的網(wǎng)格(例1為800萬(wàn);例2為1 000萬(wàn);例3為1 200萬(wàn))進(jìn)行對(duì)比,發(fā)現(xiàn)網(wǎng)格數(shù)增長(zhǎng)至1 000萬(wàn)以上時(shí),氣膜孔后壁面溫度分布已經(jīng)基本不變,因此選用了1 000萬(wàn)的網(wǎng)格密度作為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行其他模型的網(wǎng)格劃分。本文中數(shù)值計(jì)算采用SST湍流模型,壁面函數(shù)采用Scalable壁面函數(shù)。數(shù)值模擬研究中計(jì)算工況及邊界條件根據(jù)實(shí)驗(yàn)工況設(shè)定,主流設(shè)置為速度入口邊界條件,進(jìn)口速度為20 m/s,主流溫度為300 K,湍流度為1%。主流出口設(shè)置為壓力邊界條件,壓力為1個(gè)大氣壓。二次流進(jìn)口設(shè)置為質(zhì)量流量入口邊界條件,二次流溫度為330 K,湍流度為5%。通過(guò)調(diào)整二次流質(zhì)量流量控制吹風(fēng)比,本文中吹風(fēng)比從0.5增至2。數(shù)值模擬中為計(jì)算絕熱氣膜冷卻效率,壁面設(shè)置為絕熱壁面,計(jì)算所得溫度為絕熱壁面溫度。

3　實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1　實(shí)驗(yàn)及計(jì)算工況

實(shí)驗(yàn)研究了主流雷諾數(shù)Re=86 500時(shí)壓力面及吸力面雙排氣膜孔在不同吹風(fēng)比M=0.5,1.0,1.5,2.0條件下的氣膜冷卻效率疊加特性。實(shí)驗(yàn)中主流雷諾數(shù)根據(jù)氣膜孔直徑定義

(3)

吹風(fēng)比定義為

(4)

式中:Ug、ρg為主流速度及主流密度;Uc、ρc為氣膜孔入口平均速度及二次流密度;μg為主流的動(dòng)力黏性系數(shù)。

3.2　冷卻效率疊加結(jié)果與討論

本節(jié)中對(duì)渦輪葉片上壓力面及吸力面的雙排孔氣膜冷卻疊加特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)及數(shù)值計(jì)算分析,并對(duì)疊加公式進(jìn)行了改良。

3.2.1渦輪葉片不同位置處的疊加規(guī)律渦輪葉片不同位置型面差異明顯,吸力面為凸面,曲率較大,壓力面為凹面,曲率較小,因此流體的氣動(dòng)狀態(tài)在吸力面及壓力面會(huì)呈現(xiàn)不同的分布規(guī)律。本文在研究葉片氣膜冷卻效率疊加規(guī)律前對(duì)實(shí)驗(yàn)葉片的氣動(dòng)規(guī)律進(jìn)行了測(cè)量。圖7為4種主流雷諾數(shù)下實(shí)驗(yàn)測(cè)量的葉片壓力系數(shù)Cp分布。從圖中可以看出,不同雷諾數(shù)下吸力面及壓力面的壓力系數(shù)分布規(guī)律基本相近。在吸力面上,壓力系數(shù)從前緣開(kāi)始迅速減小,而后有所提升。在壓力面上,前緣區(qū)域內(nèi)壓力系數(shù)降低較快,之后在相對(duì)弧長(zhǎng)S/S0=-0.05～-0.6范圍內(nèi)緩慢降低,隨后再次迅速降低直至尾緣附近。葉片吸力面的曲率更大,葉柵通道內(nèi)的流體沿著凸面流動(dòng),氣流突然加速,伴隨速度增加壓力降低很快,隨后出現(xiàn)局部的逆壓區(qū);葉片壓力面前半段曲率較小,流體加速不明顯,同樣壓力變化不大。整體上看,葉片壓力面上的氣流流動(dòng)相對(duì)簡(jiǎn)單。

圖7　4種主流雷諾數(shù)下實(shí)驗(yàn)測(cè)量的葉片壓力系數(shù)分布

3.2.2葉片形狀因素對(duì)疊加規(guī)律的影響圖8為M=0.5時(shí)渦輪葉片吸力面第1排、第2排和雙排氣膜孔的冷卻效率實(shí)驗(yàn)測(cè)量值及疊加計(jì)算的展向平均值。疊加計(jì)算值通過(guò)式(5)中Sellers疊加計(jì)算方法得出。從圖中可以看出,單排及雙排孔的冷卻效率均隨著孔下游氣膜的逐漸發(fā)展而降低。M=0.5條件下第1排氣膜由于吸力面的凸面的曲率作用,氣膜脫離壁面的趨勢(shì)增強(qiáng),在第2排氣膜孔附近冷卻效率處于一個(gè)較低水平,已接近0.1。此時(shí),兩氣膜間的相互作用較小,雙排孔后氣膜冷卻效率主要受到第2排氣膜孔的影響,因此疊加計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)測(cè)量值相比雖然仍較高但在近孔區(qū)域(X/D<5)基本吻合,誤差在5%范圍內(nèi),在遠(yuǎn)孔區(qū)域(X/D>5)誤差逐漸增大。

圖8　M=0.5時(shí)吸力面冷卻效率疊加規(guī)律

圖9為M=0.5時(shí)渦輪葉片壓力面第1排、第2排和雙排氣膜孔的冷卻效率實(shí)驗(yàn)測(cè)量值及疊加計(jì)算的展向平均值。從圖中可以看出,M=0.5條件下第1排氣膜由于壓力面的凹面的曲率作用,氣膜較容易附著于壁面上,其在第2排氣膜孔附近冷卻效率仍較高,此時(shí)兩排氣膜間的相互作用較強(qiáng)。相比于葉片吸力面,壓力面的疊加計(jì)算值偏高。從近孔區(qū)域至遠(yuǎn)孔區(qū)域,疊加計(jì)算值均高出實(shí)驗(yàn)測(cè)量值約13%。

圖9　M=0.5時(shí)壓力面冷卻效率疊加規(guī)律

(a)壓力面第2排氣膜孔前　(b)壓力面第2排氣膜孔后

(c)孔后疊加計(jì)算結(jié)果　　　(d)孔后直接計(jì)算結(jié)果圖10　壓力面歸一化速度場(chǎng)及溫度場(chǎng)

這種氣膜間的作用規(guī)律可以在圖10中觀察到。圖中為數(shù)值計(jì)算得到的第2排氣膜孔沿流動(dòng)方向孔前5D、孔后5D的歸一化溫度及速度場(chǎng)。第1排氣膜在流出氣膜孔后形成一組外卷對(duì)渦,如圖中A區(qū)域所示。這股外卷渦對(duì)在第2排氣膜孔壁面附近形成自壁面向上的流動(dòng)趨勢(shì),對(duì)其附近流體產(chǎn)生“抽吸作用”,將第2排氣膜向上拉升,此時(shí)前后排氣膜間處于“層狀疊加”的狀態(tài)。當(dāng)氣膜孔排處于渦輪葉片吸力面時(shí),單排氣膜的脫離現(xiàn)象已較明顯,因此雙排氣膜間這種抽吸作用相對(duì)不強(qiáng)烈,疊加計(jì)算值較準(zhǔn)確。然而,當(dāng)氣膜孔排位于葉片壓力面時(shí),葉片凹面的作用使得氣膜貼壁性較好,這種相互作用增強(qiáng)。如圖中B區(qū)域所示,兩排氣膜間作用后,渦結(jié)構(gòu)的范圍擴(kuò)大,渦中心遠(yuǎn)離壁面。應(yīng)用疊加計(jì)算公式時(shí)考慮不到氣膜間的這種相互影響,因此疊加計(jì)算結(jié)果有所偏高。

研究發(fā)現(xiàn),疊加計(jì)算的準(zhǔn)確性受到吹風(fēng)比及沿流動(dòng)方向的歸一化距離X/D的影響,因此引入?yún)?shù)M及X/D對(duì)疊加公式進(jìn)行修正,其形式為

(5)

式中:η為雙排氣膜孔后氣膜冷卻效率疊加值;η1、η2為只存在單排氣膜孔時(shí)第1排、第2排氣膜孔后的冷卻效率;C為修正系數(shù),包含M及X/D。此修正公式對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)工況為Re=86 000,葉片進(jìn)氣角為90°。

對(duì)于吸力面

C=50.1M(X/D)-1.12M-

74.8(X/D)+2.61

(6)

對(duì)于壓力面

C=16.87M(X/D)+117.25M-

8.41(X/D)-57.75

(7)

圖11　M=1.0時(shí)吸力面冷卻效率疊加規(guī)律

3.2.3吹風(fēng)比對(duì)疊加規(guī)律的影響圖11為M=1.0時(shí)吸力面第1排、第2排和雙排氣膜孔的冷卻效率實(shí)驗(yàn)測(cè)量值及疊加計(jì)算的展向平均值。從圖中可以明顯看出,隨著吹風(fēng)比的增加,冷氣量增多,相同壁面曲率條件下氣膜冷卻效率有所提高。第1排氣膜孔的冷卻效率在第2排氣膜孔后有所提升,雙排孔后區(qū)域受兩排氣膜孔共同作用,此時(shí)第1排氣膜的疊加作用變得明顯。通過(guò)Sellers疊加計(jì)算的氣膜冷卻效率相比于實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果的誤差增大,近孔區(qū)域約為8%,遠(yuǎn)孔區(qū)域約為17%,但由于吸力面的型面曲率作用,氣膜脫壁性增強(qiáng),總的來(lái)說(shuō)兩排氣膜間相互干擾不如壓力面明顯。根據(jù)上節(jié),將疊加計(jì)算方法修正為

C=24.87M(X/D)-0.53M-12.8(X/D)-2.42

(8)

圖12為吹風(fēng)比增加至1.0時(shí)壓力面第1排、第2排和雙排氣膜孔的冷卻效率實(shí)驗(yàn)測(cè)量值及疊加計(jì)算的展向平均值。與吸力面情況相類似,隨著吹風(fēng)比的增加,雙排孔后區(qū)域受兩排氣膜孔的共同作用增強(qiáng),前排氣膜對(duì)后排氣膜的抽吸作用更明顯。通過(guò)Sellers疊加計(jì)算的氣膜冷卻效率相比于實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果的偏差進(jìn)一步增大,誤差整體約為16%。因此,將疊加計(jì)算方法修正為

C=68.53M(X/D)+10.02M-

34.29(X/D)-3.81

(9)

圖12　M=1.0時(shí)壓力面冷卻效率疊加規(guī)律

圖13為第2排氣膜孔沿流動(dòng)方向孔后5D的歸一化溫度場(chǎng),吹風(fēng)比對(duì)氣膜間相互作用的影響可以在圖中清晰地觀察到。相比于圖10中疊加計(jì)算結(jié)果與直接計(jì)算結(jié)果之間的區(qū)別,當(dāng)吹風(fēng)比增大時(shí)由于前排氣膜的抽吸作用所帶來(lái)的第2排孔后渦結(jié)構(gòu)脫離壁面的現(xiàn)象更明顯(框線區(qū)域C),因此通過(guò)疊加計(jì)算的壁面冷卻效率有較大的誤差。

(a)Sellers疊加計(jì)算結(jié)果　　(b)雙排孔后計(jì)算結(jié)果圖13　壓力面歸一化溫度場(chǎng)

3.2.4排列方式對(duì)疊加規(guī)律的影響圖14、圖15為M=0.5時(shí)雙排氣膜孔間叉排布置時(shí)吸力面以及壓力面的冷卻效率展向平均值。從圖中可以看出,對(duì)比圖8、圖9的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,當(dāng)氣膜孔排列方式改為叉排結(jié)構(gòu)時(shí),疊加計(jì)算的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)量值間的誤差減小。在渦輪葉片吸力面,從第2排孔近孔區(qū)域至遠(yuǎn)孔區(qū)域叉排結(jié)構(gòu)的疊加計(jì)算值與實(shí)測(cè)值均較接近,二者間最大誤差小于5%。在渦輪葉片壓力面,第2排孔后近孔區(qū)域疊加計(jì)算值稍有偏高,遠(yuǎn)孔區(qū)域疊加計(jì)算較準(zhǔn)確。這種現(xiàn)象與叉排結(jié)構(gòu)中雙排氣膜間的相互作用規(guī)律緊密相關(guān)。

圖14　吸力面叉排結(jié)構(gòu)冷卻效率疊加規(guī)律

圖16為M=0.5時(shí)壓力面叉排結(jié)構(gòu)第2排氣膜孔沿流動(dòng)方向孔前5D、孔后5D的歸一化溫度場(chǎng)及速度場(chǎng)。從圖中可以看出,與順排結(jié)構(gòu)前后兩排氣膜渦結(jié)構(gòu)直接作用不同,對(duì)于氣膜孔叉排結(jié)構(gòu),前后兩排氣膜孔間交叉排列,兩排氣膜孔后反轉(zhuǎn)對(duì)渦交叉排開(kāi)(圖中A、B兩組對(duì)渦),為“塊狀疊加”方式,這兩組對(duì)渦在交界處轉(zhuǎn)向相反,因此有相互擠壓的作用,氣膜被壓向壁面,同時(shí)提高了冷氣的貼壁性。因此,通過(guò)疊加計(jì)算所得的溫度場(chǎng)溫度分布較均勻,與實(shí)際溫度場(chǎng)間差異較小。

(a)壓力面第2排氣膜孔前　(b)壓力面第2排氣膜孔后

(c)孔后疊加計(jì)算結(jié)果　　　(d)孔后直接計(jì)算結(jié)果圖16　壓力面叉排結(jié)構(gòu)歸一化速度場(chǎng)及溫度場(chǎng)

4　結(jié)　論

本文根據(jù)瞬態(tài)導(dǎo)熱測(cè)量理論,采用紅外測(cè)量技術(shù)對(duì)渦輪葉片雙排氣膜冷卻效率疊加特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,并輔以數(shù)值模擬計(jì)算方法對(duì)其疊加的流動(dòng)機(jī)理進(jìn)行了分析,主要結(jié)論如下。

(1)受渦輪葉片壓力面及吸力面型面曲率的影響,氣膜冷卻效率疊加計(jì)算的準(zhǔn)確性有所區(qū)別。葉片吸力面型面為凸面且曲率較大,氣膜吹脫現(xiàn)象明顯,疊加計(jì)算誤差較小。葉片壓力面型面為凹面且曲率較小,氣膜貼壁性強(qiáng),疊加計(jì)算偏差大。

(2)吹風(fēng)比對(duì)氣膜冷卻效率疊加計(jì)算準(zhǔn)確性有較大影響,低吹風(fēng)比時(shí)疊加較準(zhǔn)確,高吹風(fēng)比時(shí)誤差較大。當(dāng)疊加計(jì)算誤差較大時(shí),本文針對(duì)Sellers疊加公式提出了相應(yīng)的修正。

(3)氣膜孔排布方式對(duì)冷卻效率疊加計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確性有影響。氣膜孔叉排布置時(shí),前后排氣膜間呈現(xiàn)“塊狀疊加”現(xiàn)象,氣膜間干擾較弱,疊加計(jì)算結(jié)果較準(zhǔn)確。氣膜孔順排布置時(shí),前后排氣膜呈現(xiàn)“層狀疊加”現(xiàn)象,氣膜間相互干擾增強(qiáng),疊加計(jì)算結(jié)果偏高。

參考文獻(xiàn):

[1]葛紹巖, 劉登瀛, 徐靖中, 等. 氣膜冷卻 [M]. 北京: 科學(xué)出版社, 1985: 1-5.

[2]HAN J C, SKIRVIN S C, HAYES L E, et al. Film cooling with multiple slots and louvers [J]. Journal of Heat Transfer, 1961, 83(3): 281-291.

[3]SELLERS J P. Gaseous film cooling with multiple injection stations [J]. AIAA Journal, 1963, 1(9): 2154 -2156.

[4]HAN J C, MEHENDALE A B. Flat plate film cooling with steam injection through one row and two rows of inclined holes [J]. Journal of Turbomachinery, 1986, 108(1): 137-144.

[5]HARRINGTON M, MCWATERS M, BOGARD D G, et al. Full coverage film cooling with short normal injection holes [J]. Journal of Turbomachinery, 2001, 123(4): 798-805.

[6]SASAKI M, TAKAHARA K, KUMAGAI T, et al. Film cooling effectiveness for injection from multirow holes [J]. ASME Journal of Engineering Power, 1979, 101(1): 101-108.

[7]SAUMWEBER C, SCHULZ A. Interaction of film cooling rows: effects of hole geometry and row spacing on the cooling performance downstream of the second row of holes [J]. Journal of Turbomachinery, 2003, 126(2): 101-110.

[8]SAKATA K, USUI H, TAKAHARA K. Cooling characteristics of film cooled turbine vane having multi-row of ejection holes [C]∥ASME 1978 International Gas Turbine Conference and Products Show. New York, USA: ASME, 1978: V01AT01A021.

根據(jù)設(shè)定的情景條件，對(duì)5個(gè)影響因素每隔0.5 h采集一次樣本數(shù)據(jù)，采用調(diào)查問(wèn)卷法得到影響因素的定性判定數(shù)據(jù)。各因素風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)劃分為強(qiáng)+(A)，強(qiáng)(B)，中等(C)，弱(D)，弱-(E)5個(gè)狀態(tài)。

[9]MHETRAS S, HAN J C. Effect of superposition on span wise film-cooling effectiveness distribution on a gas turbine blade [C]∥ASME 2006 International Mechanical Engineering Congress and Exposition. New York, USA: ASME, 2006: 477-487.

[10] LUCKEY D W, LECUYER M R. Stagnation region gas film cooling: spanwise angled injection from multiple rows of holes: NASA contractor report 165333 [R]. Washington, USA: NASA, 1981.

[11] ANDERSON J B, WINKA J R, BOGARD D G, et al. Evaluation of superposition predictions for showerhead film cooling on a vane [J]. Journal of Turbomachinery, 2015, 137(4): V05BT13A032.

[12] SCHNEIDER M, PARNEIX S, VON WOLFERSDORF J. Effect of showerhead injection on superposition of multi-row pressure side film cooling with fan shaped holes [C]∥Proceedings of the ASME Turbo Expo 2003. New York, USA: ASME, 2003: 559-568.

[13] KINELL M, UTRIAINEN E, NAJAFABADI H N, et al. Comparison of gas turbine vane pressure side and suction side film cooling performance and the applicability of superposition [C]∥ASME Turbo Expo 2012: Turbine Technical Conference and Exposition. New York, USA: ASME, 2012: 1479-1489.

[14] CUTBIRTH J M, BOGARD D G. Evaluation of pressure side film cooling with flow and thermal field measurements [J]. Journal of Turbomachinery, 2002, 124(4): 670-677.

[15] ANDREINI A, CARCASCI C, GORI S, et al. Film cooling system numerical design: adiabatic and conjugate analysis [C]∥Proceedings of the ASME Summer Heat Transfer Conference. New York, USA: ASME, 2005: 9-20.

[17] 朱惠人, 郭濤, 許都純. 雙排簸箕形孔氣膜冷卻效率及其疊加算法 [J]. 航空動(dòng)力學(xué)報(bào), 2006, 21(5): 814-819.

ZHU Huiren, GUO Tao, XU Duchun. Film cooling and superposition method for double row dust-pan shaped holes [J]. Journal of Aerospace Power, 2006, 21(5): 814-819.

[18] KIROLLOS B, POVEY T. An energy-based method for predicting the additive effect of multiple film cooling rows [C]∥ASME Turbo Expo 2013: Turbine Technical Conference and Exposition. New York, USA: ASME, 2013: V03BT13 A039.

[19] 劉存良. 新型高效氣膜孔冷卻特性研究 [D]. 西安: 西北工業(yè)大學(xué), 2009.

[20] MOFFAT R J. Describing the uncertainties in experimental results [J]. Experimental Thermal and Fluid Science, 1988, 1(1): 3-17.

[本刊相關(guān)文獻(xiàn)鏈接]

王瑞琴,高炎,晏鑫,等.燃?xì)馔钙轿簿夐_(kāi)縫區(qū)冷卻性能的非定常研究.2017,51(12):98-103.[doi:10.7652/xjtuxb201712 015]

翟穎妮,劉存良.高主流湍流度下大傾角異型氣膜孔冷卻特性實(shí)驗(yàn)研究.2017,51(7):16-23.[doi:10.7652/xjtuxb201707 003]

范小軍,杜長(zhǎng)河,李亮,等.4種冷卻結(jié)構(gòu)對(duì)葉片前緣流動(dòng)換熱影響的比較研究.2017,51(7):37-43.[doi:10.7652/xjtuxb201707006]

杜長(zhǎng)河,范小軍,李亮,等.旋轉(zhuǎn)半徑和葉片安裝角對(duì)動(dòng)葉旋流冷卻流動(dòng)和傳熱特性的影響.2017,51(5):37-42.[doi:10.7652/xjtuxb201705006]

杜長(zhǎng)河,范小軍,李亮,等.抽吸孔對(duì)旋流和沖擊冷卻流動(dòng)傳熱特性的影響.2017,51(1):19-24.[doi:10.7652/xjtuxb 201701004]