渦輪葉柵進(jìn)口熱斑遷移及其影響因素研究試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

謝金偉，劉志剛，張曉東，朱承華，趙旺東

(中國(guó)航發(fā)四川燃?xì)鉁u輪研究院，四川江油621703)

1 引言

航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制朝著更高的渦輪前溫度和更緊湊的燃燒室結(jié)構(gòu)方向發(fā)展，由此帶來渦輪進(jìn)口流動(dòng)規(guī)律復(fù)雜、流場(chǎng)參數(shù)分布不均等問題，并在渦輪進(jìn)口形成具有明顯高溫核心區(qū)的燃?xì)饬鲌F(tuán)，即所謂的熱斑(Hot Streak)現(xiàn)象。熱斑在渦輪葉柵流道中的遷移會(huì)導(dǎo)致葉片特定位置出現(xiàn)局部高溫區(qū)，增加葉身熱應(yīng)力，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)造成葉片局部燒蝕[1]。為此需開展渦輪葉柵進(jìn)口熱斑遷移特性及其主要影響因素研究，以針對(duì)渦輪葉片局部高溫區(qū)域進(jìn)行重點(diǎn)冷卻，在保證葉片冷卻效果和可靠性的前提下，減少冷氣用量，提高渦輪效率，保證渦輪運(yùn)行安全。

從公開文獻(xiàn)看，美國(guó)NASA Lewis研究中心[2]、聯(lián)合技術(shù)研究中心(UTRC)[3]、空軍研究試驗(yàn)室(AFRL)[4]、德克薩斯州立大學(xué)[5]及英國(guó)QinetiQ研究中心[6]等，均擁有開展渦輪進(jìn)口熱斑試驗(yàn)的渦輪級(jí)性能試驗(yàn)器和進(jìn)行熱斑機(jī)理研究的葉柵試驗(yàn)器，以O(shè)ng[7]、Halde?man[8]、Denton[9]、Dorney[10]、He[11]等為代表的學(xué)者對(duì)熱斑現(xiàn)象進(jìn)行了大量研究。但公開文獻(xiàn)也表明，國(guó)外對(duì)熱斑的研究還不夠系統(tǒng)，對(duì)一些相似的熱斑現(xiàn)象甚至還得到了相悖的結(jié)論[6，10]。近年來，國(guó)外在一部分渦輪及葉柵試驗(yàn)設(shè)備改造升級(jí)、新建時(shí)，還將渦輪進(jìn)口熱斑模擬作為一個(gè)重要的試驗(yàn)器功能進(jìn)行考慮[12]，說明目前對(duì)熱斑現(xiàn)象還有繼續(xù)深入研究的必要。國(guó)內(nèi)對(duì)熱斑現(xiàn)象的研究起步較晚，直到本世紀(jì)初董素艷[13]、季路成[14]、劉高文[15]、薛偉鵬[16]等才分別開展了一些與熱斑相關(guān)的數(shù)值計(jì)算工作，以及閆朝[17]在日本三菱重工高砂研究所、趙慶軍[18]在中科院工程熱物理研究所的渦輪試驗(yàn)臺(tái)上對(duì)熱斑現(xiàn)象進(jìn)行了部分試驗(yàn)研究。目前，國(guó)內(nèi)還未見有關(guān)渦輪葉柵內(nèi)熱斑遷移及影響機(jī)理試驗(yàn)研究的公開報(bào)道。

本文采用數(shù)值仿真與試驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方式，設(shè)計(jì)搭建了一套渦輪葉柵進(jìn)口熱斑遷移及其影響因素研究的試驗(yàn)裝置。試驗(yàn)段進(jìn)口采用擾流格柵模擬湍流，采用直接向主流中注入熱氣流方式模擬熱斑，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了進(jìn)口裝置的模擬效果。根據(jù)現(xiàn)有設(shè)備氣源條件，采用NASA的C3X葉片作為試驗(yàn)葉片，完成了葉柵試驗(yàn)段的周期性優(yōu)化設(shè)計(jì)和葉片材料選擇。分別測(cè)量葉柵進(jìn)、出口溫度場(chǎng)以獲取進(jìn)、出口熱斑形態(tài)，葉片表面溫度采用紅外熱像儀和熱電偶對(duì)比測(cè)量。該套試驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)和成功應(yīng)用，可為深入了解并掌握熱斑的遷移擴(kuò)散規(guī)律、進(jìn)而開展熱斑進(jìn)口邊界條件下的渦輪葉柵氣熱耦合設(shè)計(jì)優(yōu)化等提供重要的試驗(yàn)硬件支撐。同時(shí)，該試驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)方法和相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，也可為類似裝置的設(shè)計(jì)提供參考。

2 進(jìn)口模擬裝置

熱斑試驗(yàn)進(jìn)口模擬裝置的功能主要是產(chǎn)生不同湍流強(qiáng)度的主流進(jìn)口條件和不同特征的熱斑流動(dòng)，即湍流模擬和熱斑模擬。根據(jù)試驗(yàn)需要，設(shè)計(jì)了一組可拆卸的圓柱擾流棒組合件進(jìn)行湍流模擬(圖1(a))。擾流棒兩端通過螺栓固定在外框架上，可根據(jù)試驗(yàn)工況需求調(diào)整其數(shù)量及間距以獲得不同的進(jìn)口湍流條件。不模擬湍流時(shí)取下擾流棒組、擰緊擾流棒兩端的固定螺栓即可實(shí)現(xiàn)流道密封。圖1(b)為設(shè)計(jì)階段通過三維仿真得到的進(jìn)口裝置湍流強(qiáng)度分布。由圖可知，擾流棒正后方湍流強(qiáng)度稍大，兩根擾流棒之間空隙部分湍流強(qiáng)度較小，整體上湍流度比較均勻。試驗(yàn)時(shí)用單絲熱線儀測(cè)量了葉柵前緣不同徑向高度上的湍流分布(圖1(c))，其湍流強(qiáng)度平均值約為12.04%。

采用直接向主流中注入熱次流來模擬熱斑，定義熱次流與主流總溫的比值為熱斑溫比(T/T0)。圖2為完成擾流棒和熱次流引氣管組裝后的進(jìn)口模擬裝置的三維模型及實(shí)物圖。渦輪中由于時(shí)鐘效應(yīng)的存在，熱斑可能處于導(dǎo)葉進(jìn)口的任意周向位置，且隨著燃燒室運(yùn)行工況的改變，其在流道中的徑向相對(duì)高度也會(huì)隨之變化。因此，按不同徑向高度共加工了3套熱次流引氣管，且均可再通過調(diào)整各自的安裝螺栓改變熱斑在試驗(yàn)葉柵通道內(nèi)的相對(duì)周向位置。圖3為不同熱斑周向、徑向位置時(shí)位移機(jī)構(gòu)拖動(dòng)葉柵試驗(yàn)件進(jìn)口總溫耙步進(jìn)測(cè)量得到的進(jìn)口總溫分布。可見，圓形熱斑十分完整，從核心區(qū)向主流溫度逐漸降低；核心區(qū)熱斑溫比約1.14，符合設(shè)計(jì)預(yù)期。

3 葉柵試驗(yàn)段設(shè)計(jì)

3.1 試驗(yàn)葉片

Hylton等[19]在1984年公開發(fā)表了C3X葉柵流動(dòng)換熱試驗(yàn)數(shù)據(jù)，本文以C3X原型葉柵為試驗(yàn)葉片進(jìn)行試驗(yàn)段設(shè)計(jì)。為給后續(xù)試驗(yàn)件設(shè)計(jì)和試驗(yàn)方案制定提供依據(jù)，需充分掌握試驗(yàn)葉片的基準(zhǔn)流動(dòng)特性。圖4為C3X基準(zhǔn)葉型的計(jì)算網(wǎng)格(有10個(gè)內(nèi)冷卻通道)。單葉片計(jì)算時(shí)流道兩側(cè)采用了周期性邊界條件，其他邊界按Hylton的試驗(yàn)條件給定，計(jì)算在ANSYS CFX 12.1中進(jìn)行。圖5為采用不同湍流模型計(jì)算的文獻(xiàn)[19]試驗(yàn)中編號(hào)4521工況下葉片中截面的壓力分布，可見不同湍流模型計(jì)算得到的壓力分布均與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。

為研究氣膜冷卻對(duì)葉柵通道內(nèi)熱斑遷移的影響，除實(shí)心葉片外，本文在C3X基準(zhǔn)葉片基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了氣膜孔結(jié)構(gòu)。如圖6所示，全氣膜冷卻葉片壓力面、吸力面各有2排氣膜孔，前緣有3排氣膜孔，相鄰氣膜孔排之間沿葉高錯(cuò)位布置。為測(cè)量葉片表面溫度，在葉片表面不同位置敷設(shè)了18支熱電偶。其中葉柵50%葉高截面布置14個(gè)，葉柵20%和80%葉高截面各布置2個(gè)，且各測(cè)點(diǎn)從壓力面尾緣開始向吸力面尾緣依次編號(hào)。

3.2 試驗(yàn)件周期性

在設(shè)備供氣溫度、壓力條件下對(duì)試驗(yàn)葉片的計(jì)算表明，出口等熵馬赫數(shù)0.9時(shí)單個(gè)葉柵通道內(nèi)的質(zhì)量流量為856.07 g/s。如不考慮葉型縮放和葉高改變等因素，則在當(dāng)前氣源條件下(最大流量5.0 kg/s)進(jìn)行熱斑試驗(yàn)時(shí)理論上能允許的葉柵流道不超過5個(gè)，即平面葉柵試驗(yàn)件設(shè)計(jì)最多為6葉片5通道結(jié)構(gòu)，且需在此基礎(chǔ)上滿足葉柵試驗(yàn)周期性要求。目前葉柵試驗(yàn)大多通過增加葉片數(shù)(如7片、9片、11片等)來提高周期性，但數(shù)值計(jì)算和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)均表明，葉片只有在增加到一定數(shù)量時(shí)才對(duì)周期性的提高有效果。根據(jù)文獻(xiàn)[20]，通常葉柵試驗(yàn)件周期性不佳的原因一方面來自葉柵進(jìn)口流道兩側(cè)附面層發(fā)展程度不同，另一方面是不恰當(dāng)?shù)奈舶寮s束導(dǎo)致壓力面和吸力面及尾緣斜切部分的膨脹程度不同。受試驗(yàn)段流量約束，本文的試驗(yàn)件不能采用傳統(tǒng)的增加葉片數(shù)的方法來實(shí)現(xiàn)周期性，為此試驗(yàn)件設(shè)計(jì)前需研究在本文試驗(yàn)條件下影響葉柵試驗(yàn)件周期性的因素。

圖7為進(jìn)行周期性影響因素探索時(shí)的計(jì)算邊界條件設(shè)置示意圖。葉柵進(jìn)口及葉片通道兩側(cè)設(shè)置為固壁條件，將葉柵出口尾板(沿出口氣流角方向，約72°)分別設(shè)置為固壁條件和周期性邊界條件進(jìn)行對(duì)比計(jì)算。圖8為兩種尾板邊界條件下葉片表面的壓力分布曲線。可看出，相比固壁條件，當(dāng)葉柵出口尾板滿足周期性條件時(shí)葉片表面壓力分布的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合很好，說明在當(dāng)前條件下葉柵試驗(yàn)件周期性主要由出口尾板決定。

周期性優(yōu)化計(jì)算時(shí)，分別在不同尾板長(zhǎng)度(1.5倍弦長(zhǎng)、0.5倍弦長(zhǎng)、無尾板)、不同尾板角度(與流動(dòng)方向夾角72°、90°)等組合條件下增加葉片數(shù)，逐步逼近目標(biāo)結(jié)果。計(jì)算表明，縮短尾板長(zhǎng)度的同時(shí)增大尾板與流動(dòng)方向的夾角可改善葉柵試驗(yàn)件周期性。72°、90°短尾板結(jié)構(gòu)在亞聲速流動(dòng)條件下周期性較好，但在超、跨聲速流動(dòng)時(shí)容易在尾板尖角處產(chǎn)生激波，尾板角度還需根據(jù)流動(dòng)條件在試驗(yàn)中繼續(xù)調(diào)整，通用性不強(qiáng)。5葉片4通道無尾板試驗(yàn)件(圖9)兩側(cè)由兩個(gè)半葉片形成固壁，出口尾板不延長(zhǎng)(計(jì)算時(shí)采用遠(yuǎn)場(chǎng)邊界條件)，氣流在沿出口氣流角方向流出葉柵通道后不受其他約束，在不同出口等熵馬赫數(shù)下的周期性表現(xiàn)均較好，可作為最終方案。圖中Vane 2、Vane 3葉片表面壓力分布與周期性邊界條件下的理論值幾乎重合，因此可選擇這兩個(gè)葉片作為試驗(yàn)葉片，選取這兩個(gè)葉片之間的流道為試驗(yàn)流道。該種方案下葉柵出口等熵馬赫數(shù)0.9時(shí)流量約3.1 kg/s，滿足設(shè)備的流量約束條件。圖10給出了葉柵試驗(yàn)段進(jìn)行C3X原型葉片基準(zhǔn)性能試驗(yàn)時(shí)葉柵出口約1.0倍弦長(zhǎng)處的壁面靜壓分布與計(jì)算結(jié)果的對(duì)比，可見計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合良好，說明對(duì)葉柵試驗(yàn)件的周期性優(yōu)化設(shè)計(jì)效果較好。

3.3 葉片材料和偶絲敷設(shè)工藝

為觀察到較明顯的熱斑現(xiàn)象，需降低熱斑在葉片表面的擴(kuò)散速率。同時(shí)，為研究氣膜冷卻對(duì)熱斑的影響，應(yīng)盡量降低葉片導(dǎo)熱對(duì)氣膜冷卻效果的影響。另外，根據(jù)需要，試驗(yàn)研究的熱斑溫比最高為1.14，對(duì)應(yīng)熱次流最高溫度約152℃。因此，葉片材料除滿足導(dǎo)熱系數(shù)小外，還應(yīng)能長(zhǎng)時(shí)間處于152℃以上的環(huán)境中不變形、不軟化。據(jù)此，通過試驗(yàn)對(duì)比考核了已有的不銹鋼葉片、高溫尼龍葉片和某非金屬材料葉片的溫度特性，結(jié)果如圖11所示。據(jù)此，試驗(yàn)葉片采用某非金屬材料加工。此外，為保證熱電偶測(cè)溫效果并提高偶絲存活率，在葉片材料考核的同時(shí)還進(jìn)行了高溫氣流沖刷環(huán)境下的某非金屬葉片偶絲敷設(shè)工藝研究。最終獲得的敷設(shè)工藝使得同一葉片經(jīng)多次長(zhǎng)時(shí)間試驗(yàn)和反復(fù)拆裝后，熱電偶存活率保持在95%以上(圖12)。

4 測(cè)試布局

圖13為試驗(yàn)段整體結(jié)構(gòu)及葉片安裝段放大圖。根據(jù)周期性設(shè)計(jì)結(jié)果，葉片安裝段包括1個(gè)試驗(yàn)葉片，2個(gè)陪襯葉片，安裝段兩側(cè)采用兩個(gè)半葉片形成流道，出口為半開放結(jié)構(gòu)。試驗(yàn)時(shí)采用3股氣流分別模擬主流、熱次流和冷卻氣流，3股氣流由各自流路的閥門單獨(dú)控制，流量分別通過各路流量計(jì)或孔板測(cè)量。加溫后的主流氣體經(jīng)過湍流模擬器到達(dá)葉柵進(jìn)口，熱次流經(jīng)電加溫爐后通過熱斑模擬器到達(dá)葉柵進(jìn)口，冷卻氣流通過冷氣集氣盒供給氣膜冷卻試驗(yàn)葉片。主流和熱次流進(jìn)口狀態(tài)分別使用單點(diǎn)總溫總壓探針確定狀態(tài)，其中主流探針安裝在陪襯葉片與半葉片組成的流道上游以避免對(duì)試驗(yàn)葉片進(jìn)口流場(chǎng)造成干擾。試驗(yàn)時(shí)通過調(diào)整熱次流電加溫爐加熱功率改變熱斑溫比，通過調(diào)節(jié)兩路氣流各自對(duì)應(yīng)的閥門調(diào)節(jié)熱斑壓比(熱次流與主流總壓之比)。葉片上游約1.0倍弦長(zhǎng)處設(shè)置一維進(jìn)口位移機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)可安裝熱線風(fēng)速儀測(cè)量葉柵進(jìn)口湍流強(qiáng)度，也可安裝動(dòng)態(tài)多孔針測(cè)量葉柵進(jìn)口流場(chǎng)。為避免進(jìn)口探針對(duì)試驗(yàn)葉片出口狀態(tài)的測(cè)量造成干擾，正式試驗(yàn)時(shí)該位移機(jī)構(gòu)拖動(dòng)一支11點(diǎn)總溫耙測(cè)量試驗(yàn)葉片進(jìn)口溫度場(chǎng)以獲取進(jìn)口熱斑形態(tài)。完成進(jìn)口溫度場(chǎng)測(cè)量后機(jī)構(gòu)按照預(yù)先設(shè)定的移動(dòng)方案將探針推入位移機(jī)構(gòu)安裝座下方設(shè)置的凹槽中，保持流道內(nèi)壁平整。葉柵出口使用二維位移機(jī)構(gòu)拖動(dòng)11點(diǎn)梳狀總溫探針測(cè)量出口溫度場(chǎng)，同時(shí)葉柵出口下游壁面還布置了48個(gè)壁面靜壓測(cè)點(diǎn)(間距5 mm，覆蓋兩個(gè)柵距)以檢驗(yàn)葉柵試驗(yàn)件周期性(圖10)。圖14給出了試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖片和部分試驗(yàn)測(cè)試裝備(圖中僅示出了2臺(tái)紅外熱像儀)。

葉片表面溫度同時(shí)采用熱電偶和紅外熱像儀進(jìn)行測(cè)量。在試驗(yàn)調(diào)試階段通過紅外熱像儀與熱電偶測(cè)溫結(jié)果對(duì)比確定熱像儀的具體安裝位置和拍攝角度并標(biāo)記固定，每次試驗(yàn)前均再次進(jìn)行確認(rèn)。試驗(yàn)先后使用了3臺(tái)紅外熱像儀進(jìn)行葉表溫度拍攝測(cè)量，其中第1和第2臺(tái)通過葉柵試驗(yàn)段兩側(cè)開設(shè)的紅外觀察窗(透過氟化鈣光學(xué)玻璃)分別對(duì)試驗(yàn)葉片壓力面、前緣進(jìn)行拍攝，第3臺(tái)安裝在葉柵試驗(yàn)段軸向出口位置對(duì)試驗(yàn)葉片吸力面直接拍攝。根據(jù)圖9模擬結(jié)果，試驗(yàn)段軸向出口位置為葉柵出口的流動(dòng)死區(qū)，該區(qū)域在不同出口馬赫數(shù)下均無氣流直接沖刷且壓力波動(dòng)小，安裝一臺(tái)紅外熱像儀用于拍攝安全可行，且不需透過價(jià)格昂貴的氟化鈣玻璃觀察窗拍攝，得到的成像效果更為清晰。

5 應(yīng)用驗(yàn)證

圖15為出口等熵馬赫數(shù)0.8，渦輪葉柵進(jìn)口熱斑分別位于試驗(yàn)葉片前緣、流道中間時(shí)，圖14中示出的2臺(tái)紅外熱像儀拍攝的葉片表面溫度分布，圖中在吸力面?zhèn)燃t外拍攝結(jié)果中標(biāo)注出了試驗(yàn)葉片?？梢?，葉柵進(jìn)口熱斑正對(duì)前緣時(shí)，試驗(yàn)葉片表面溫度不均勻，出現(xiàn)了明顯的高溫區(qū)，局部熱負(fù)荷上升。對(duì)比壓力面和吸力面紅外拍攝結(jié)果可知，正對(duì)前緣的熱斑沖擊到葉片表面后被分成兩半，熱次流包裹整個(gè)試驗(yàn)葉片后分別沿壓力面和吸力面流動(dòng)。熱斑位于流道中間時(shí)，紅外拍攝結(jié)果顯示試驗(yàn)葉片表面溫度與主流進(jìn)氣總溫接近，但在流道內(nèi)橫向壓力梯度作用下熱斑向陪襯葉片吸力面遷移運(yùn)動(dòng)，在吸力面拍攝結(jié)果中可看到陪襯葉片吸力面出現(xiàn)了一個(gè)溫度較高的區(qū)域。

圖16為出口等熵馬赫數(shù)0.8、不安裝擾流棒、熱斑正對(duì)葉片前緣中部時(shí)，葉片表面50%葉高處紅外熱像儀1和紅外熱像儀3測(cè)溫結(jié)果與熱電偶測(cè)溫結(jié)果的比較?？梢?，熱斑正對(duì)前緣會(huì)引起葉片前緣溫度顯著上升，紅外測(cè)溫與熱電偶測(cè)溫結(jié)果在趨勢(shì)上基本一致。葉片前緣附近由紅外熱像儀1透過光學(xué)玻璃拍攝，該區(qū)域內(nèi)紅外測(cè)溫平均值與熱電偶測(cè)溫平均值相比偏高約2.4%；葉片吸力面由紅外熱像儀3直接拍攝，該區(qū)域內(nèi)紅外測(cè)溫平均值與熱電偶測(cè)溫平均值相比偏高約1.0%。

6 結(jié)論

采用仿真與試驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方式設(shè)計(jì)搭建了一套渦輪葉柵進(jìn)口熱斑遷移及其影響因素研究的試驗(yàn)裝置，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了該裝置的使用效果，主要得到以下結(jié)論：

(1)試驗(yàn)段進(jìn)口采用擾流棒組模擬湍流，采用直接向主流中注入熱次流方式模擬熱斑，進(jìn)口模擬裝置達(dá)到的進(jìn)口平均湍流度為12.04%，能較方便地調(diào)節(jié)熱斑的周向、徑向位置和準(zhǔn)確改變熱斑溫比。

(2)采用5葉片4通道結(jié)構(gòu)獲得了周期性良好的葉柵試驗(yàn)件，通過試驗(yàn)確定選用某非金屬材料加工熱斑試驗(yàn)葉片，研發(fā)了高溫氣流沖刷環(huán)境下的非金屬葉片表面偶絲敷設(shè)工藝，葉片表面熱電偶存活率達(dá)到95%以上。

(3)紅外熱像儀與熱電偶的測(cè)溫結(jié)果吻合較好，兩種方式獲得的溫度平均值相差約2.4%，能滿足渦輪葉柵內(nèi)熱斑遷移及影響規(guī)律研究的需要。

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