尾跡影響下有復(fù)合角扇形孔渦輪葉片表面的氣膜冷卻效率實驗研究

李繼宸,朱惠人,陳大為,陳剛,周道恩

(1.西北工業(yè)大學(xué)動力與能源學(xué)院,710072,西安;2.中國航發(fā)沈陽發(fā)動機研究所,110015,沈陽)

現(xiàn)代的燃?xì)鉁u輪發(fā)動機的渦輪進口溫度已經(jīng)超過2 000 K,遠遠超過了渦輪葉片材料的耐熱極限,因此必須發(fā)展先進的渦輪葉片冷卻技術(shù)。氣膜冷卻作為重要的冷卻方式,在航空發(fā)動機渦輪葉片中得到了廣泛的應(yīng)用[1]。

已有研究發(fā)現(xiàn)復(fù)合角的存在可以提高射流的覆蓋性、增大橫向覆蓋面積、提高氣膜冷卻效率,因此引起了許多研究人員的重視。徐紅洲等研究了復(fù)合角為30°和45°的扇形孔下游氣膜冷卻的流場和溫度場,發(fā)現(xiàn)復(fù)合角射流下游存在一強一弱反向旋轉(zhuǎn)的縱向耦合渦結(jié)構(gòu)[2]。Ekkad等利用瞬態(tài)液晶分別測量了平板上帶有復(fù)合角的氣膜孔下游的氣膜冷卻效率,并對不同吹風(fēng)比和密度比條件下的實驗結(jié)果進行了比較,結(jié)果表明復(fù)合角提升了射流的覆蓋性,在相同的吹風(fēng)比下,帶有復(fù)合角射流的氣膜冷卻效率高于沒有復(fù)合角射流的氣膜冷卻效率[3]。Haydt等結(jié)合實驗與數(shù)值模擬研究了復(fù)合角對扇形孔下游的氣膜冷卻效率的影響,結(jié)果表明在大吹風(fēng)比下,復(fù)合角的增大會促進射流的橫向傳播,進而使得氣膜冷卻效率提高[4]。Han等測量了在不同吹風(fēng)比下,平板上帶有45°復(fù)合角的氣膜孔排下游的氣膜冷卻效率,結(jié)果表明帶有復(fù)合角的射流表現(xiàn)出單渦特性,而沒有復(fù)合角的射流常常能觀察到兩個渦,使得質(zhì)量流量比對于帶有復(fù)合角的氣膜孔下游的氣膜冷卻效率的影響要比對沒有復(fù)合角的氣膜孔的影響更大[5]。張宗衛(wèi)等利用瞬態(tài)液晶測量了前緣區(qū)域帶有復(fù)合角氣膜孔的葉片全表面氣膜冷卻效率,研究發(fā)現(xiàn)在復(fù)合角孔射流與來流的共同作用下,氣膜出流傾斜向上[6]。Nasir等利用瞬態(tài)液晶在湍流度為11%的條件下測量了平板上帶有不同復(fù)合角的氣膜孔下游區(qū)域的氣膜冷卻效率,結(jié)果表明相對于沒有復(fù)合角的情況,帶有60°復(fù)合角的情況換熱系數(shù)和氣膜冷卻效率均有所提高[7]。Lee等利用液晶測量了平板上復(fù)合角分別為0°、30°和60°的單排異形氣膜孔下游的氣膜冷卻效率分布,并利用氣溶膠觀察氣膜孔附近的流動情況,結(jié)果表明相較于圓形孔,沒有復(fù)合角的異形孔下游的氣膜冷卻效率沒有實質(zhì)提升,而在高吹風(fēng)比下,帶有復(fù)合角的異形孔下游的氣膜冷卻效率有明顯提升[8]。Jubran等對平板上兩排帶有不同復(fù)合角的氣膜孔下游氣膜冷卻效率進行研究,結(jié)果表明第1排不帶復(fù)合角而第2排帶復(fù)合角時的氣膜冷卻效率要高于兩排均不帶復(fù)合角和兩排均帶復(fù)合角的情況[9]。Wang等利用壓敏漆技術(shù)研究了各種參數(shù)(吹風(fēng)比,同向、異向復(fù)合角等)對平板上兩排帶有45°復(fù)合角的圓柱形氣膜孔下游氣膜冷卻效率分布的影響,結(jié)果表明在高吹風(fēng)比下同向復(fù)合角布置會使射流抬升與主流摻混,降低氣膜冷卻效率,異向復(fù)合角會增強射流的貼壁性,在大吹風(fēng)比下異向復(fù)合角比同向復(fù)合角有更高的氣膜冷卻效率,異向復(fù)合角布置的射流痕跡寬且直、覆蓋面積大[10]。洪博文等利用數(shù)值模擬方法對前緣區(qū)域的圓柱形氣膜孔進行復(fù)合角優(yōu)化設(shè)計,結(jié)果表明在壓力面復(fù)合角會改變滯止點的位置,冷氣的切向速度增大,冷卻效果增強顯著,在吸力面復(fù)合角會減弱冷氣與主流的摻混,使得壁面氣膜冷卻效率提高[11]。

靜葉尾緣產(chǎn)生的尾跡使得下游葉柵通道內(nèi)的壓力、速度和湍流度產(chǎn)生周期性波動,這會影響葉片表面的氣膜冷卻效率。Mhetras等利用壓敏漆技術(shù)研究了上游尾跡對葉片全表面冷卻效率分布的影響,發(fā)現(xiàn)上游尾跡的存在會降低葉片的氣膜冷卻效率,特別是在葉片吸力面上[12]。Mahadevan等利用溫敏漆技術(shù)研究了尾跡對30°的彎曲表面氣膜冷卻效率的影響,結(jié)果表明當(dāng)動量比較高時,尾跡可以減弱射流的抬升,進而使得氣膜冷卻效率提高[13]。Funazaki等通過實驗研究了周期性尾跡對葉柵流場的影響,結(jié)果表明尾跡使得葉柵的二維流動損失和二次流渦結(jié)構(gòu)發(fā)生較大變化,同時揭示出尾跡的逆射流效應(yīng)對于葉柵的非定常損失起著重要作用[14]。Golsen等利用溫敏漆技術(shù)在輻輪式尾跡發(fā)生器下游測量了尾跡發(fā)生器圓棒直徑與氣膜孔直徑之比為2.375、4.75和9.5的氣膜孔下游的氣膜冷卻效率,結(jié)果表明不同直徑比下的尾跡對氣膜冷卻效率的影響是相同的[15]。Rallabandi等利用壓敏漆技術(shù)測量了尾跡影響下的葉片中弦區(qū)域的壓力面、吸力面和前緣的氣膜冷卻效率分布,結(jié)果表明尾跡使得葉片表面(尤其是吸力面)局部湍流度增加,進而導(dǎo)致氣膜冷卻效率下降[16]。Narzary等通過改變上游圓棒的位置來模擬上游尾跡,再利用壓敏漆技術(shù)測量了帶有45°復(fù)合角后傾扇形孔下游的氣膜冷卻效率分布,實驗結(jié)果表明,尾跡使得葉片表面的氣膜冷卻效率顯著下降[17]。國內(nèi)也有許多學(xué)者在該領(lǐng)域進行了研究,蔣雪輝等利用熱電偶研究了非定常尾跡對氣膜冷卻效率的影響,發(fā)現(xiàn)非定常尾跡通過擾動氣膜層和改變局部吹風(fēng)比來影響氣膜冷卻效率[18]。Chen等利用壓敏漆技術(shù)研究了尾跡與自由湍流對帶有后傾扇形氣膜孔的葉片全表面氣膜冷卻效率的影響,結(jié)果表明尾跡使得大部分區(qū)域氣膜冷卻效率下降,同時隨著尾跡斯特勞哈爾數(shù)的增加,葉片表面的氣膜冷卻效率下降幅度也會增加,在高自由湍流條件下,尾跡的影響減弱[19]。李虹楊等利用數(shù)值模擬研究了尾跡對渦輪轉(zhuǎn)子葉片氣膜冷卻的影響,結(jié)果表明尾跡會誘導(dǎo)冷卻射流的“上揚”,并使得其冷氣流量增加20%,有利于提高瞬時的冷卻效果[20]。李軍等利用數(shù)值模擬的方法在非定常條件下研究了凹槽狀葉頂?shù)臍饽だ鋮s性能,結(jié)果表明尾跡與通道渦周期性地與葉頂泄漏流相互作用,使得槽底壁面的氣膜覆蓋位置和面積發(fā)生變化[21]。上述國內(nèi)外研究表明,尾跡對葉片氣膜冷卻效率的影響十分復(fù)雜,在不同結(jié)構(gòu)、不同工況條件下有著不同的影響規(guī)律。

從已公開發(fā)表的文獻發(fā)現(xiàn),對尾跡條件下帶有復(fù)合角扇形氣膜孔的渦輪葉片表面氣膜冷卻效率分布的研究較少。因此,本文采用輻輪式尾跡發(fā)生器模擬上游尾跡,利用壓敏漆技術(shù)測量渦輪葉片表面氣膜冷卻效率,獲得了質(zhì)量流量比和尾跡斯特勞哈爾數(shù)對帶有復(fù)合角扇形氣膜孔的渦輪葉片表面氣膜冷卻效率的影響規(guī)律。

1 實驗方法

1.1 實驗裝置

氣膜冷卻低速風(fēng)洞實驗臺系統(tǒng)如圖1所示。主流由一臺離心式鼓風(fēng)機提供。葉柵通道入口主流弦長雷諾數(shù)為1.3×105,速度為16 m/s,馬赫數(shù)為0.046;葉柵通道出口主流弦長雷諾數(shù)為3.9×105,速度為48 m/s,馬赫數(shù)為0.138。安裝在葉柵通道進出口的皮托管用于測量主流的動靜壓差,進而計算出當(dāng)?shù)刂髁鞯乃俣??？諝舛瘟饔梢慌_螺桿式壓縮機提供,氮氣二次流由6瓶15 MPa串聯(lián)的氮氣瓶經(jīng)過減壓閥降壓后提供。ALICAT電子質(zhì)量流量計用于調(diào)節(jié)二次流的質(zhì)量流量,加熱器用于調(diào)節(jié)二次流的溫度。實驗段由3個葉片和4個完整通道組成,中間的葉片為測試葉片。

圖1 實驗臺示意圖

Brien等的研究發(fā)現(xiàn),輻輪式尾跡發(fā)生器能很好地模擬實際渦輪靜葉產(chǎn)生的尾跡[22]。本文采用如圖2所示的輻輪式尾跡發(fā)生器,其圓盤直徑為550 mm,在圓盤的直徑延長線上均勻布置了10根圓棒,每一根圓棒長度均為225 mm。該尾跡發(fā)生器由一臺電機驅(qū)動,變頻器用于調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速。

圖2 尾跡發(fā)生器示意圖

葉片弦長C為128 mm、葉高h為158.4 mm,安裝后葉頂間隙為1.6 mm,主流的入射角為40°。葉片表面氣膜孔位置和帶有復(fù)合角的扇形孔結(jié)構(gòu)如圖3所示。氣膜孔孔徑d均為1.8 mm,孔長為8.89d,每個氣膜孔均帶有45°的徑向偏角β。壓力面有5排扇形氣膜孔,前緣有3排圓柱形氣膜孔,吸力面有3排扇形氣膜孔。氣膜孔的詳細(xì)參數(shù)如表1所示,其中s/C(s為葉片的弧長)代表孔排位置,p/d代表孔間距與孔徑之比,α代表流向偏角。

(a)氣膜孔排位置

(b)復(fù)合角扇形孔結(jié)構(gòu)圖3 氣膜孔排位置及復(fù)合角扇形孔結(jié)構(gòu)示意圖

位置孔排編號s·C-1孔數(shù)p·d-1α/(°)壓力面1-0.71117.3452-0.63117.3453-0.49117.3454-0.32117.3455-0.22137.345前緣6-0.08127.8907-0.04117.8908-0.02127.890吸力面90.13136.745100.34136.745110.57136.745

1.2 測量方法

本文采用壓敏漆技術(shù)測量葉片表面的氣膜冷卻效率。壓敏漆技術(shù)的測壓原理與其本身的光致發(fā)光和氧猝滅特性有關(guān),當(dāng)發(fā)光分子吸收一定頻率的光子后會從基態(tài)變?yōu)榧ぐl(fā)態(tài),受激發(fā)的分子可以通過輻射失活過程和無輻射失活過程回到基態(tài),輻射失活主要是發(fā)光分子發(fā)出比激發(fā)光波長更長的熒光和磷光,這就是光致發(fā)光。無輻射失活過程包括內(nèi)轉(zhuǎn)換、系間竄躍和外轉(zhuǎn)換等,其中氧猝滅是受激發(fā)的分子與氧氣的相互作用而失活。在同一時刻,氧猝滅和光致發(fā)光過程是一對競爭的過程,氧氣分壓力越高,氧猝滅越劇烈,相應(yīng)的壓敏漆表面的光強越弱。壓敏漆表面熒光光強與氧分壓之間滿足Stern-Volmer方程

(1)

式中:IR為參考光強;I為在實驗壓力和溫度下獲取的光強;IB為黑暗條件下的光強;PO2,R為參考狀態(tài)下氧氣的分壓力;PO2為實驗條件下氧氣的分壓力。在進行標(biāo)定實驗時,根據(jù)Gao等的研究[23],IR在對應(yīng)的實驗溫度條件下獲取,這大大減小了溫度對于壓敏漆標(biāo)定曲線的影響。經(jīng)過標(biāo)定實驗獲得的不同溫度下的Stern-Volmer方程的系數(shù)如表2所示。在實驗時要保證主流和二次流溫度基本相等,據(jù)氣流溫度選擇對應(yīng)的標(biāo)定曲線。標(biāo)定實驗裝置的介紹詳見文獻[24]。

再根表2 不同溫度下的Stern-Volmer方程系數(shù)

Han等詳細(xì)描述了利用壓敏漆技術(shù)測量葉片表面氣膜冷卻效率的方法[25]。已有研究表明,對于純氣體和氣體混合物,Le≈1[26],此時傳熱和傳質(zhì)方程具有相同形式的解。因此,可根據(jù)傳熱傳質(zhì)類比,將氣膜冷卻效率表示為

(2)

式中:T為溫度;下標(biāo)aw、∞、c分別表示絕熱壁面、主流、二次流;cO2為氧氣質(zhì)量濃度;下標(biāo)w表示壁面。當(dāng)采用氮氣為二次流時,cO2,c=0。結(jié)合分壓定律,式(2)可寫成

(3)

式中:PO2,fg為二次流采用氮氣時測試壁面的氧氣的分壓力;PO2,R為參考狀態(tài)下測試壁面的氧氣的分壓力;PO2,air為二次流采用空氣時測試壁面的氧氣的分壓力。

實驗過程中需要分4個步驟進行:①打開主流,采用空氣為二次流,獲得IO2,air,對應(yīng)壓強為PO2,air;②改用氮氣為二次流,獲得IO2,fg,對應(yīng)壓強為PO2,fg;③關(guān)閉主流和二次流,獲得IR;④關(guān)閉光源,獲得IB。實驗時,每一步均拍攝多張圖像并對其光強取平均,結(jié)合標(biāo)定曲線將光強比轉(zhuǎn)換成壓比,根據(jù)式(3)可以獲得氣膜冷卻效率。

根據(jù)文獻[27-28]的方法得到利用壓敏漆技術(shù)測量的氣膜冷卻效率的不確定度,如表3所示。

表3 氣膜冷卻效率的不確定度

1.3 主要參數(shù)定義

主流弦長雷諾數(shù)定義為

(4)

式中:u為流體速度;ρ和μ為流體的密度和動力黏性系數(shù)。

質(zhì)量流量比定義為

(5)

式中:A為流體流通面積;ρcucAc為單位時間內(nèi)流過每個二次流進氣腔的質(zhì)量流量;ρ∞u∞A∞為單位時間內(nèi)一個葉柵周期通道內(nèi)主流的質(zhì)量流量。待測葉片有兩個冷氣腔,如圖3所示,各腔的質(zhì)量流量比如表4所示。

表4 待測葉片冷氣腔流量分配

尾跡斯特勞哈爾數(shù)定義為

(6)

式中:N為尾跡發(fā)生器轉(zhuǎn)速;n為尾跡發(fā)生器的圓棒數(shù);D為圓棒直徑。本文中Srwake分別取0、0.12、0.36。

2 實驗結(jié)果分析

圖4為不同質(zhì)量流量比條件下,Srwake=0,0.36時葉片表面氣膜冷卻效率的分布云圖。

2.1 氣膜冷卻效率整體分布

由于各排氣膜孔均帶有復(fù)合角,氣膜孔出口處的射流軌跡會偏向葉頂方向。由于復(fù)合角氣膜孔下游的不對稱渦結(jié)構(gòu)促進了射流的橫向擴散,使得射流的橫向覆蓋面積很大,氣膜冷卻效率很高[29]。冷氣腔Ⅰ為前緣區(qū)域以及壓力面和吸力面前兩排氣膜孔供氣。前緣區(qū)域靠近葉根處的氣膜孔出口處的氣膜覆蓋范圍很小,這是由于冷氣腔內(nèi)葉根處的冷氣分配量較少。對于孔排7,由于受到主流的正面沖擊的馬蹄渦影響,冷氣分布在氣膜孔周圍;對于孔排6(靠近壓力面),由于氣膜孔帶有復(fù)合角,射流向葉頂方向的偏轉(zhuǎn)角度很大;對于孔排8(靠近吸力面),由于主流速度較高,射流的出流方向接近水平。對于壓力面孔排5下游至孔排3上游區(qū)域為曲率較大的凹面,射流容易抬升,但孔排間距較小且復(fù)合角促進了射流的橫向覆蓋,因此氣膜覆蓋情況較好;靠近葉頂處的射流向葉頂方向的偏轉(zhuǎn)角更大,這是受到葉頂泄漏流的影響。對于吸力面孔排9和孔排10,氣膜孔下游的覆蓋范圍較大,但孔與孔之間的氣膜覆蓋效果不佳。冷氣腔Ⅱ為壓力面靠近尾緣的3排氣膜孔和吸力面上的氣膜孔11供氣。對于壓力面孔排3下游至尾緣區(qū)域以及吸力面孔排11下游大部分區(qū)域,氣膜的覆蓋比較均勻。這一方面是由于連接到冷氣腔Ⅱ的氣膜孔要比冷氣腔Ⅰ少,使得連接到冷氣腔Ⅱ的氣膜孔分配到的冷氣量更大;另一方面由于在這些區(qū)域葉片表面比較平坦,射流能更好地貼附在葉片表面。吸力面孔排11下游葉頂與端壁附近幾乎沒有氣膜覆蓋,這主要是由于通道渦與葉頂間隙渦的共同作用將端壁和葉頂附近的射流壓向中間區(qū)域所致。

(a)流量工況1

(b)流量工況2

(c)流量工況3圖4 不同質(zhì)量流量比下氣膜冷卻效率分布云圖

2.2 無尾跡條件下質(zhì)量流量比對葉片表面氣膜冷卻效率的影響

在Srwake=0時,隨著質(zhì)量流量比的增加,對于前緣孔排7和孔排6下游,更多的冷氣擴散到壁面附近,氣膜覆蓋范圍變大;對于孔排8下游,射流動量的提高使得射流的貼壁性下降,氣膜覆蓋范圍變小。對于壓力面大部分區(qū)域,質(zhì)量流量比的提高帶來的冷氣量的增加使上游氣膜的覆蓋范圍變大,而對于壓力面上帶有復(fù)合角的孔排1下游,從流量工況1到流量工況2氣膜覆蓋范圍變小,從流量工況2到流量工況3氣膜覆蓋范圍變大。對于吸力面,由于表面靜壓較小,質(zhì)量流量比的增加容易使射流的貼壁性下降,氣膜覆蓋面積變小。同時,射流動量的提高使從帶有復(fù)合角的氣膜孔流出的射流橫向分速度提高,吸力面射流向葉頂方向偏轉(zhuǎn)角度增大,葉頂附近的低氣膜冷卻效率區(qū)域面積減小,但端壁附近的低氣膜冷卻效率區(qū)域面積沒有明顯的變化。

2.3 有尾跡條件下質(zhì)量流量比對葉片表面氣膜冷卻效率的影響

在Srwake=0.36時,隨著質(zhì)量流量比的增加,前緣區(qū)域孔排7和孔排6下游的氣膜覆蓋面積變大。對于前緣孔排8,質(zhì)量流量比的增加使氣膜覆蓋面積減小,在大質(zhì)量流量比條件下(流量工況3),幾乎沒有氣膜覆蓋。對于壓力面的大部分區(qū)域,質(zhì)量流量比的增加使氣膜覆蓋范圍變大。對于吸力面孔排9和孔排10,質(zhì)量流量比的增加使氣膜覆蓋面積變小。對于帶有復(fù)合角的孔排11,質(zhì)量流量比的增加使氣膜覆蓋范圍變大,在大質(zhì)量流量比條件下(流量工況3),低氣膜冷卻效率區(qū)域基本消失。

2.4 尾跡對葉片表面氣膜冷卻效率的影響

對于小質(zhì)量流量比(流量工況1):尾跡使前緣區(qū)域氣膜冷卻效率顯著減小,是由于尾跡掃掠至前緣附近使得局部主流速度降低,射流更容易抬升,氣膜貼壁性下降;尾跡使壓力面和吸力面的氣膜冷卻效率下降明顯,是由于尾跡發(fā)生器圓棒上脫落的渦增加了主流的湍流度,促進了射流與主流的摻混。吸力面上氣膜冷卻效率下降的程度要大于壓力面,由Rallabandi等的研究[16]可知,這是由于尾跡對吸力面引起的湍流強度的變化要大于壓力面。對于大質(zhì)量流量比(流量工況3),尾跡使帶有復(fù)合角的氣膜孔下游氣膜覆蓋范圍變小,但是氣膜覆蓋面積的減小程度不如小質(zhì)量流量比(流量工況1)的情況,同時尾跡還使吸力面葉頂附近的低氣膜冷卻效率區(qū)域消失。

2.5 質(zhì)量流量比對中截面區(qū)域徑向平均氣膜冷卻效率的影響

在Srwake=0,0.36條件下,帶有復(fù)合角氣膜孔的全氣膜葉片中截面區(qū)域(-0.04≤h/C≤0.04)徑向平均氣膜冷卻效率隨質(zhì)量流量比的變化情況見圖5。從圖中可以看出,各個氣膜孔出口處的徑向平均氣膜冷卻效率均很高且沿流向逐漸降低。前緣區(qū)域徑向平均氣膜冷卻效率隨質(zhì)量流量比的增加而增加,流量工況3與流量工況1相比,徑向平均氣膜冷卻效率平均增加13%。壓力面上帶有復(fù)合角的孔排5下游至孔排1上游區(qū)域的徑向平均氣膜冷卻效率隨質(zhì)量流量比的增加而增加,流量工況3與流量工況1相比,徑向平均氣膜冷卻效率平均增加5%,這主要與冷氣量的增加有關(guān),而孔排1下游的徑向平均氣膜冷卻效率隨質(zhì)量流量比的增加先減小后增大。吸力面區(qū)域徑向平均氣膜冷卻效率隨質(zhì)量流量比的增加而降低,流量工況3與流量工況1相比,徑向平均氣膜冷卻效率平均下降23%。在Srwake=0.36的條件下,前緣區(qū)域徑向平均氣膜冷卻效率隨質(zhì)量流量比的增加而增加,流量工況3與流量工況1相比,徑向平均氣膜冷卻效率平均增加30%。壓力面上帶有復(fù)合角的孔排5下游至孔排1上游區(qū)域的徑向平均氣膜冷卻效率隨質(zhì)量流量比的增加而增加,流量工況3與流量工況1相比,徑向平均氣膜冷卻效率平均增加44%。壓力面孔排1下游區(qū)域徑向平均氣膜冷卻效率隨質(zhì)量流量比的增加而增加,流量工況3與流量工況1相比,徑向平均氣膜冷卻效率平均增加6%?？着?1下游區(qū)域徑向平均氣膜冷卻效率隨質(zhì)量流量比的增加而增加,流量工況3與流量工況1相比,徑向平均氣膜冷卻效率平均增加11%。相對于無尾跡情況,質(zhì)量流量比對帶有復(fù)合角的氣膜孔下游的徑向氣膜冷卻效率的影響程度在吸力面大部分區(qū)域是減弱的,而在前緣及壓力面大部分區(qū)域是增強的。

(a)Srwake=0

(b)Srwake=0.36圖5 質(zhì)量流量比對中截面徑向平均氣膜冷卻效率的影響

2.6 Srwake對中截面區(qū)域徑向平均氣膜冷卻效率的影響

在小質(zhì)量流量比(流量工況1)和大質(zhì)量流量比(流量工況3)的條件下,帶有復(fù)合角氣膜孔的全氣膜葉片中截面區(qū)域(-0.04≤h/C≤0.04)徑向平均氣膜冷卻效率隨Srwake的變化情況見圖6。隨著Srwake增加,在小質(zhì)量流量比(流量工況1)條件下,葉片表面的徑向平均氣膜冷卻效率均有明顯降低,相對于Srwake=0時的情況,Srwake=0.36條件下的徑向平均氣膜冷卻效率平均下降35%。在大質(zhì)量流量比(流量工況3)條件下,壓力面上帶有復(fù)合角的孔排5下游到孔排4上游區(qū)域,徑向平均氣膜冷卻效率幾乎不受Srwake的影響,其他區(qū)域的徑向平均氣膜冷卻效率都隨著Srwake的增加而降低。由于大質(zhì)量流量比條件下射流動量更大,使得Srwake對射流的影響程度減小,故大質(zhì)量流量比(流量工況3)條件下徑向平均氣膜冷卻效率的下降幅度要小于小質(zhì)量流量比(流量工況1)的情況,相對于Srwake=0時的情況,Srwake=0.36條件下的徑向平均氣膜冷卻效率平均下降26%。

(a)流量工況1

(b)流量工況3圖6 Srwake對中截面徑向平均氣膜冷卻效率的影響

3 結(jié) 論

本文利用壓敏漆技術(shù)在不同質(zhì)量流量比、不同Srwake下研究了尾跡和質(zhì)量流量比對帶有復(fù)合角的扇形孔的渦輪葉片表面氣膜冷卻效率的影響,得到以下主要結(jié)論。

(1)氣膜孔復(fù)合角有利于射流的橫向擴散,孔下游射流的覆蓋面積較大,全表面氣膜冷卻效率較高。對于壓力面上游區(qū)域,葉片表面呈曲率較大的凹面,射流貼壁性較差,但氣膜孔排間距較小且復(fù)合角促進了射流的橫向擴散,氣膜覆蓋情況比較好;對于壓力面靠近尾緣區(qū)域,氣膜孔排間距較大但葉片表面平坦,射流貼壁性良好,氣膜覆蓋效果好;吸力面大部分區(qū)域氣膜覆蓋比較均勻,但對于腮區(qū)下游靠近葉頂和端壁區(qū)域,由于葉頂泄漏流和通道渦的影響,幾乎沒有氣膜覆蓋。

(2)在無尾跡情況下,隨著質(zhì)量流量比的增大,前緣區(qū)域的氣膜冷卻效率增大,平均增幅為14%;在壓力面,靠近前緣以及中弦區(qū)域的氣膜冷卻效率增大,平均增幅為5%,而靠近尾緣處的氣膜冷卻效率先減小后增大;在吸力面,氣膜冷卻效率隨質(zhì)量流量比的增加而降低,平均降幅為23%。隨著質(zhì)量流量比增大,吸力面帶有復(fù)合角的氣膜孔流出的射流向葉頂方向偏移的角度加大,葉頂附近的低氣膜冷卻效率區(qū)面積變小。在有尾跡的情況下,壓力面和吸力面靠近尾緣的區(qū)域氣膜冷卻效率隨質(zhì)量流量比的增加而增大,其他區(qū)域與無尾跡條件下的變化規(guī)律相同。

(3)尾跡增強了主流與射流的摻混,使得帶有復(fù)合角氣膜孔的葉片表面氣膜覆蓋面積變小。在小質(zhì)量流量比條件下,氣膜冷卻效率平均降幅為35%,尾跡使得吸力面氣膜冷卻效率降幅更大;在大質(zhì)量流量比條件下,射流動量的增大相對削弱了尾跡的影響,氣膜冷卻效率平均降幅為26%。