槽縫射流旋流比和密度比對(duì)渦輪端壁冷卻和吸力面泛冷卻性能的影響

張塏垣,李志剛,宋立明,李軍,2

(1.西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院,710049,西安;2.先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)協(xié)同創(chuàng)新中心,100191,北京)

燃?xì)廨啓C(jī)和航空發(fā)動(dòng)機(jī)為了提高熱效率、減少溫室氣體排放,燃?xì)鉁u輪進(jìn)口溫度不斷增加,導(dǎo)致渦輪端壁的熱負(fù)荷急劇增大。為了降低端壁的熱負(fù)荷保證端壁安全運(yùn)行,在端壁采用上游槽縫射流冷卻、端壁氣膜冷卻和端壁葉柵通道間隙射流冷卻等復(fù)合冷卻結(jié)構(gòu)。其中上游槽縫射流冷卻能夠阻止高溫主流燃?xì)馊肭直P腔,同時(shí)因?yàn)槎吮诿婢哂欣鋮s效果而得到重視和研究[1]。

科研人員采用實(shí)驗(yàn)與數(shù)值方法研究了上游槽縫射流對(duì)透平端壁冷卻性能的影響。Wright等采用靜止實(shí)驗(yàn)臺(tái)研究了槽縫和氣膜孔射流對(duì)端壁冷卻氣分布及二次渦的影響[2]。Suryanarayanan等采用旋轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)臺(tái)研究了槽縫射流流量及轉(zhuǎn)速對(duì)動(dòng)葉端壁冷卻效果的影響[3]。Du等采用數(shù)值模擬的方法研究了槽縫結(jié)構(gòu)及進(jìn)口不重合度對(duì)第一級(jí)靜葉端壁冷卻的影響[4-5]。Mensch等實(shí)驗(yàn)研究了端壁下表面沖擊冷卻和氣膜冷卻對(duì)存在導(dǎo)熱端壁的耦合傳熱的影響[6]。祝培源等提出了3種漸縮梯形間隙結(jié)構(gòu),采用數(shù)值模擬的方法研究了槽縫幾何及位置對(duì)端壁冷卻性能的影響[7]。李勁勁等數(shù)值模擬研究了前緣氣膜孔布置對(duì)端壁冷卻及傳熱的影響[8]。由葉片安裝誤差及熱膨脹導(dǎo)致的固有通道間隙同樣對(duì)端壁存在一定的冷卻效果,楊星等數(shù)值模擬研究了通道間隙射流角、流量及錯(cuò)位對(duì)端壁冷卻的影響[9-10]。

由于旋轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)臺(tái)的傳熱測(cè)量較為困難,而旋轉(zhuǎn)效應(yīng)對(duì)端壁的冷卻有重要影響,近年來研究人員在靜止的動(dòng)葉實(shí)驗(yàn)臺(tái)上針對(duì)旋轉(zhuǎn)帶來的動(dòng)葉與射流的相對(duì)運(yùn)動(dòng)問題進(jìn)行了類比實(shí)驗(yàn)。Barigozzi等采用可變角度槽縫射流結(jié)構(gòu),模擬了動(dòng)葉旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致的靜止槽縫射流入射角的變化,研究了入射角對(duì)傳熱及氣動(dòng)性能的影響[11],結(jié)果表明負(fù)角度射流會(huì)增強(qiáng)二次渦強(qiáng)度并削弱冷卻效果,同時(shí)證實(shí)了此種類比方法在預(yù)測(cè)預(yù)旋槽縫射流對(duì)動(dòng)葉端壁冷卻效果分布影響及二次流發(fā)展的有效性,并且可以提供較為準(zhǔn)確的細(xì)節(jié)特征,但也指出了由于忽略上游靜葉而對(duì)其他旋轉(zhuǎn)效應(yīng)的預(yù)測(cè)存在一定局限性。Matthew等通過安裝導(dǎo)葉改變槽縫射流預(yù)旋,實(shí)驗(yàn)研究了吹風(fēng)比及旋流比對(duì)端壁冷卻的影響,結(jié)果表明帶預(yù)旋槽縫射流比不帶預(yù)旋槽縫射流冷卻效果更差[12]。Li等在靜止直列葉柵上實(shí)驗(yàn)研究了0.4、1.0兩個(gè)模擬旋流比槽縫射流與進(jìn)口湍動(dòng)度對(duì)端壁冷卻及吸力面二次冷卻的影響,結(jié)果表明旋流在流量較大時(shí)會(huì)增強(qiáng)二次渦強(qiáng)度并削弱端壁冷卻效果[13]。此外,針對(duì)葉片二次冷卻,Zhang等實(shí)驗(yàn)研究了主流旋流位置對(duì)吸力面上游、下游兩部分的泛冷卻的影響[14]。

目前,對(duì)于在靜止葉柵中模擬動(dòng)葉旋轉(zhuǎn)效應(yīng)對(duì)端壁冷卻性能影響的研究開展較少,本文采用預(yù)旋槽縫射流類比動(dòng)葉旋轉(zhuǎn)效應(yīng)的方法,針對(duì)具有多種冷卻結(jié)構(gòu)的直列葉柵,數(shù)值模擬研究了上游槽縫射流旋流比及密度比對(duì)渦輪端壁冷卻及葉片吸力面泛冷卻的影響,可為高效端壁冷卻布局提供參考。

1 計(jì)算模型和數(shù)值方法

1.1 計(jì)算模型

(a)計(jì)算幾何結(jié)構(gòu)示意圖

(b)俯視圖

(c)冷卻結(jié)構(gòu)示意圖圖1 計(jì)算幾何結(jié)構(gòu)

圖1給出了實(shí)驗(yàn)測(cè)量的葉柵型線和端壁冷卻結(jié)構(gòu)布局[15],其中端壁冷卻結(jié)構(gòu)包括上游槽縫、壓力面?zhèn)?1個(gè)氣膜孔、吸力面?zhèn)认掠?個(gè)氣膜孔以及流道通道間隙,通道間隙下方均勻布置30個(gè)入射孔用以模擬間隙泄漏,傾斜角度與葉片安裝角近似相同。上游槽縫與端壁夾角為25°,出口寬度為0.2 cm。表1給出了具體的幾何參數(shù)。

表1 幾何結(jié)構(gòu)主要參數(shù)

1.2 數(shù)值方法和驗(yàn)證

對(duì)于槽縫射流旋流比Rs,在旋轉(zhuǎn)葉柵中,定義槽縫射流周向速度為動(dòng)葉旋轉(zhuǎn)速度的Rs倍;而在靜止葉柵中,為模擬旋轉(zhuǎn)效應(yīng)下槽縫射流的冷卻性能,需保證預(yù)旋槽縫射流與端壁的相對(duì)速度與旋轉(zhuǎn)工況相一致,定義槽縫射流周向分速度為原動(dòng)葉旋轉(zhuǎn)速度Vr=142.5 m/s的(1-Rs)倍。

通過改變冷卻射流工質(zhì),可實(shí)現(xiàn)密度比

Rd=ρc/ρ∞

(1)

式中:ρc、ρ∞分別為標(biāo)準(zhǔn)狀況下冷卻氣體和主流流體的密度。Rd=1.0時(shí)表示冷卻流體和主流采用相同工質(zhì)。

吹風(fēng)比的定義為

(2)

式中:Vc、V∞分別為冷卻氣體與主流的速度。

圖2給出了采用ANSYS ICEM生成的計(jì)算模型結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。在固壁面附近進(jìn)行網(wǎng)格加密以保證不同湍流模型的y+要求,經(jīng)過網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證選取330萬計(jì)算網(wǎng)格開展研究。

圖2 計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格

在吹風(fēng)比與密度比均為1.0時(shí),計(jì)算4種湍流模型端壁冷卻效率,并與實(shí)驗(yàn)測(cè)量[12]結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,如圖3所示。標(biāo)準(zhǔn)k-ω和標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型過高預(yù)測(cè)了前緣附近冷卻效率,RNGk-ε湍流模型和標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型過高預(yù)測(cè)了間隙附近冷卻效率。綜合考慮前緣附近端壁、通道間隙下游端壁及邊界層內(nèi)橫向壓力梯度的計(jì)算精度情況,SSTk-ω湍流模型與實(shí)驗(yàn)值吻合良好,因此本文選取SSTk-ω湍流模型進(jìn)行計(jì)算。

(a)端壁橫向平均冷卻效率

(b)端壁冷卻效率分布云圖圖3 不同湍流模型的端壁冷卻效率計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比

2 結(jié)果分析

采用4種旋流比和3種密度比,研究了上游槽縫射流旋流比和密度比對(duì)端壁冷卻性能和吸力面泛冷卻性能的影響。同時(shí)考慮了端壁氣膜冷卻結(jié)構(gòu)和葉柵通道間隙射流的復(fù)合冷卻作用。

2.1 槽縫射流旋流比的影響

采用槽縫射流旋流比分別為0.4、0.6、0.8和1.0,在3種密度比下研究了旋流比對(duì)端壁冷卻性能的影響。采用絕熱冷卻效率η作為評(píng)價(jià)端壁冷卻性能的指標(biāo),即

(3)

式中:T∞、Taw和Tc分別為主流溫度、絕熱壁面溫度和冷卻氣流溫度。

圖4給出了3種槽縫射流密度比Rd在旋流比Rs分別為0.4、0.6、0.8、1.0時(shí)上游端壁的冷卻效率云圖和速度矢量圖。由圖4可知,旋流比顯著影響槽縫射流在上游端壁橫向及軸向的覆蓋特性。當(dāng)Rd=1.0、Rs=1.0時(shí),上游槽縫射流在其下游端壁上的覆蓋面積、軸向覆蓋距離達(dá)到最大值。隨旋流比減小,上游槽縫射流冷氣更靠近吸力面?zhèn)?且軸向覆蓋距離與面積減小。這是由于上游槽縫射流具有較高的體積流量,冷卻射流足以阻止主流入侵,并覆蓋吸力面?zhèn)热~根位置。隨旋流比的減小,由于主流與冷卻射流周向速度相反,導(dǎo)致馬蹄渦強(qiáng)度增加,減弱了冷卻射流對(duì)下游端壁的冷卻效果,同時(shí)冷卻射流在更短的軸向距離內(nèi)脫離壁面。

(a)Rs=0.4

(b)Rs=0.6

(c)Rs=0.8

(d)Rs=1.0圖4 上游端壁冷卻效率云圖及速度矢量圖

當(dāng)密度比較大,即Rd=1.5,2.0時(shí),隨Rs的減小,槽縫射流覆蓋的軸向距離不斷減小;而對(duì)于其下游端壁橫向覆蓋范圍,Rs=0.8相對(duì)于Rs=1.0沒有明顯差異。當(dāng)旋流比進(jìn)一步減小時(shí),橫向覆蓋范圍不斷增加,Rd=2.0時(shí)增加更為顯著。這主要是由于密度比較大時(shí),冷卻射流體積流量較小,一部分槽縫結(jié)構(gòu)存在主流入侵現(xiàn)象,旋流比減小帶來的軸向速度增強(qiáng)了其阻止主流入侵的能力,從而擴(kuò)大了對(duì)其下游端壁的橫向覆蓋區(qū)域。

圖5給出了過前緣點(diǎn)截面2的冷卻效率云圖及流線圖。前緣附近二次渦主要受槽縫射流及前緣附近后向氣膜孔射流影響。當(dāng)Rd=1.0時(shí),隨旋流比的減小,馬蹄渦向下游靠近葉片前緣的方向移動(dòng),槽縫射流對(duì)前緣角區(qū)冷卻有所增強(qiáng);當(dāng)旋流比Rs>0.6時(shí),由于后向氣膜孔射流在馬蹄渦及葉片間角區(qū)形成較強(qiáng)的二次渦,因此對(duì)前緣角區(qū)的仍然保持較好的冷卻效果。

(a)截面位置示意圖

(b)Rs=0.4

(c)Rs=0.6

(d)Rs=0.8

(e)Rs=1.0圖5 截面2冷卻效率及流線圖

當(dāng)Rd=1.5、Rs=1.0時(shí),后向氣膜孔射流引起的二次渦使得前緣角區(qū)得到了較好的冷卻;隨著旋流比的進(jìn)一步減小,馬蹄渦向下游移動(dòng),導(dǎo)致前緣角區(qū)及附近端壁未冷卻區(qū)域面積有所減小。

當(dāng)Rd=2.0時(shí),減小旋流比會(huì)使得前緣角區(qū)及附近端壁冷卻情況有所改善;尤其當(dāng)Rs=0.4時(shí),槽縫冷卻射流貼壁良好,馬蹄渦強(qiáng)度得到削弱,明顯改善了前緣附近端壁的冷卻效果。

圖6給出了3種密度比下、不同旋流比作用下端壁橫向平均冷卻效率曲線圖,其對(duì)端壁的影響可持續(xù)到Z=0.5。由圖6可知:當(dāng)Rd=1.0時(shí),由于槽縫射流軸向覆蓋距離的縮短,隨旋流比的減小,其對(duì)下游端壁的冷卻效果不斷削弱;當(dāng)Rd=1.5,2.0時(shí),由于減小旋流比會(huì)增加槽縫射流橫向覆蓋寬度并減小軸向覆蓋距離,端壁冷卻效果隨旋流比減小呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì),當(dāng)Rd=1.5、Rs=1.0時(shí)和Rd=2.0、Rs=0.4時(shí)的冷卻效果達(dá)到最佳值。

(a)Rd=1.0

(b)Rd=1.5

(c)Rd=2.0圖6 不同旋流比端壁橫向平均冷卻效率曲線

2.2 槽縫射流密度比的影響

采用槽縫射流密度比分別為1.0、1.5和2.0在4種旋流比下研究密度比對(duì)端壁冷卻性能的影響。由圖4可知,在4種旋流比下,增大冷卻射流密度比會(huì)減小其流速及體積流率,從而減小其軸向覆蓋距離,并且當(dāng)旋流比較小時(shí),由于主流與冷卻射流周向相對(duì)速度較大,其趨勢(shì)更為明顯。當(dāng)Rs=1.0,0.8時(shí),增大冷卻射流密度比會(huì)導(dǎo)致其對(duì)端壁周向覆蓋寬度減小,這是由于增大密度比帶來的流速降低會(huì)進(jìn)一步增大槽縫主流入侵的趨勢(shì);當(dāng)Rs=0.4,0.6時(shí),由于槽縫幾乎不存在主流入侵現(xiàn)象,因此其對(duì)端壁的周向覆蓋寬度較寬,且隨密度比的增加覆蓋寬度沒有明顯的減小趨勢(shì)。

圖7給出了截面1上冷卻效率云圖及流線圖。由圖7可知,在4種旋流比下,隨密度比的增大,冷卻射流在端壁上的覆蓋厚度逐漸減小。當(dāng)Rs=1.0,0.8時(shí),隨密度比Rd的增大分離渦向遠(yuǎn)離吸力面的方向移動(dòng),這是因?yàn)樾鞅容^大時(shí)槽縫存在一定的主流入侵,增大密度比會(huì)導(dǎo)致主流入侵區(qū)域?qū)挾鹊倪M(jìn)一步增加;當(dāng)Rs=0.6,0.4時(shí),隨密度比的增大分離渦向靠近吸力面的方向移動(dòng),這主要是由于較小旋流比下槽縫射流完全克服了主流入侵現(xiàn)象,同時(shí)密度比較大的帶預(yù)旋槽縫射流保持其原有速度方向的能力更強(qiáng)。壓力面?zhèn)锐R蹄渦位置隨密度比的增大沒有明顯變化,其強(qiáng)度隨密度比的增加有所減小,這是由于主流與冷卻射流周向分速度方向相反是增強(qiáng)壓力面?zhèn)锐R蹄渦的主要因素之一,隨密度比的增加,冷卻射流的流速及體積流率逐漸減小,從而削弱了壓力面?zhèn)锐R蹄渦的強(qiáng)度。

(a)Rs=1.0 (b)Rs=0.8

(c)Rs=0.6 (d)Rs=0.4圖7 截面1冷卻效率及流線圖

不同密度比端壁橫向平均冷卻效率曲線如圖8所示。由圖8可知,隨Rd的增加,冷卻射流對(duì)端壁的冷卻效果不斷減弱,且隨Rs的增大,其減弱趨勢(shì)不斷增強(qiáng)。當(dāng)Rs=0.4時(shí),前緣附近冷卻效率從Rd=1.0時(shí)的0.75降為Rd=2.0時(shí)的0.65,而當(dāng)Rs=1.0時(shí),前緣附近冷卻效率從Rd=1.0時(shí)的0.8降為Rd=2.0時(shí)的0.55。冷卻效率最低值隨旋流比的增加向下游移動(dòng),當(dāng)Rs=0.4時(shí)位于Z=0.25,而到Rs=1.0時(shí)位于Z=0.35。

(a)Rs=0.4 (b)Rs=0.6

(c)Rs=0.8 (d)Rs=1.0圖8 不同密度比端壁橫向平均冷卻效率曲線

2.3 槽縫射流對(duì)葉片吸力面泛冷卻的影響

本節(jié)分析了上游槽縫射流旋流比和密度比對(duì)葉片吸力面泛冷卻(二次冷卻)性能的影響。

(a)Rs=0.4

(b)Rs=0.6

(c)Rs=0.8

(d)Rs=1.0圖9 S3冷卻效率云圖

圖9給出了吸力面靠近葉根部分S3面上的冷卻效率云圖。由圖9可知,當(dāng)密度比保持不變時(shí),隨旋流比的增大,槽縫射流對(duì)葉片吸力面的泛冷卻覆蓋面積逐漸減小,且覆蓋區(qū)域的位置向下游及靠近端壁的方向發(fā)展,隨旋流比的減小,吸力面?zhèn)锐R蹄渦及分離渦向靠近吸力面的方向移動(dòng),因此隨馬蹄渦脫離壁面的冷卻射流會(huì)更快地附著到葉片吸力面。當(dāng)保持旋流比不變時(shí),增加冷卻射流密度比會(huì)導(dǎo)致吸力面泛冷卻面積顯著減小,且向靠近端壁的方向移動(dòng),這主要是由隨密度比增加而下降的體積流率及流速導(dǎo)致的。

圖10給出了S3上平均冷卻效率曲線。當(dāng)保持密度比不變時(shí),隨旋流比的增大,S3面上泛冷卻效率不斷降低,且隨密度比的增大,其降低趨勢(shì)更加明顯。當(dāng)保持旋流比不變時(shí),增大密度比會(huì)導(dǎo)致泛冷卻效率降低;當(dāng)Rs=1.0時(shí),Rd=1.0時(shí)比Rd=2.0時(shí)的泛冷卻效率高約7%;而當(dāng)Rs=0.8時(shí),3種密度比的泛冷卻效率分別為65.6%、45.3%和38.5%,Rd=1.0時(shí)和Rd=2.0時(shí)的泛冷卻效率差值達(dá)到最大,約為27%。

圖10 S3面平均冷卻效率

3 結(jié) 論

本文采用數(shù)值模擬的方法,研究了上游槽縫射流旋流比及密度比對(duì)端壁冷卻和吸力面泛冷卻性能的影響,得到如下結(jié)論。

(1)當(dāng)密度比為1.0時(shí),旋流比減小會(huì)導(dǎo)致下游端壁冷卻效果不斷減弱;當(dāng)密度比為1.5、2.0時(shí),端壁冷卻效果隨旋流比減小呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)。Rd=1.5時(shí)冷卻效率在Rs=1.0達(dá)到最佳值,Rd=2.0時(shí)冷卻效率在Rs=0.4達(dá)到最佳值。

(2)隨密度比Rd的增加,冷卻射流對(duì)端壁的冷卻效果不斷降低,且隨旋流比Rs的增大,其減弱趨勢(shì)不斷增強(qiáng)。當(dāng)Rs=0.4時(shí)效率由0.75降為0.65,而當(dāng)Rs=1.0時(shí)效率由0.8降為0.55;冷卻效率最低值隨旋流比的增加向下游移動(dòng)。

(3)在密度比一定的情況下,隨旋流比增大,槽縫射流對(duì)葉片吸力面的泛冷卻覆蓋面積逐漸減小,且覆蓋區(qū)域的位置向下游及靠近端壁的方向發(fā)展,對(duì)S3面的冷卻效率不斷降低。

(4)在旋流比一定的情況下,隨密度比的增加,槽縫射流體積流率和流速減小,導(dǎo)致吸力面泛冷卻面積顯著減小,且向靠近端壁的方向移動(dòng),S3面平均泛冷卻效率降低。