涂層對氣膜冷卻平板溫度分布影響的實(shí)驗(yàn)研究

楊 光，艾延廷，田 晶

(沈陽航空航天大學(xué) 遼寧省航空推進(jìn)系統(tǒng)先進(jìn)測試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，沈陽，110136)

眾所周知，當(dāng)今先進(jìn)航空發(fā)動機(jī)渦輪前溫度已經(jīng)遠(yuǎn)超葉片材料的使用溫度。為解決渦輪前溫度與葉片材料耐熱極限的矛盾，目前主要采用研發(fā)新型合金及復(fù)合材料和設(shè)計(jì)更為高效的葉片冷卻結(jié)構(gòu)兩種方法，已經(jīng)取得顯著的工程效果。目前國內(nèi)針對氣膜冷卻結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)研究主要集中在冷卻特性方面。例如，部分學(xué)者研究了氣膜冷卻結(jié)構(gòu)的氣膜孔形狀對模型氣膜冷卻性能的影響[1-3]。還有部分學(xué)者研究了不同實(shí)驗(yàn)工況對模型冷卻特性的影響[4-6]。另有學(xué)者研究如何通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化提高冷卻效率[7-9]。此外，在目前的渦輪葉片設(shè)計(jì)中，若葉片表面溫度的預(yù)測值超過實(shí)際工作溫度28K，葉片的設(shè)計(jì)壽命將比其實(shí)際壽命低50%[10]，造成極大的浪費(fèi)。由此可見，提高葉片表面溫度測試精度十分必要。在航空發(fā)動機(jī)葉片表面的溫度測試方面，目前國內(nèi)外使用較多的方法有熱電偶、紅外輻射和示溫漆等[11-13]。中國航發(fā)燃?xì)鉁u輪研究院提出采用微細(xì)熱電偶[14]進(jìn)行渦輪葉片表面溫度測試,該方法通過氧化鋁涂層將熱電偶絲固定在氣膜冷卻葉片表面，從而獲得葉片表面溫度。但該方法引入涂層結(jié)構(gòu)，會對葉片表面局部區(qū)域的流動特性和傳熱特性產(chǎn)生復(fù)雜影響，從而導(dǎo)致測量精度降低。為初步研究涂層對氣膜冷卻結(jié)構(gòu)溫度分布的影響規(guī)律，本文采用氣膜冷卻平板模型，通過改變?nèi)肟跍囟燃袄錃饬揩@得各工況下無/有涂層氣膜冷卻平板在氣膜孔下游區(qū)域的溫度分布。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

如圖1所示，該試驗(yàn)系統(tǒng)由供氣系統(tǒng)、冷氣系統(tǒng)、水冷系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、試驗(yàn)段及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。供氣系統(tǒng)采用螺桿式空氣壓縮機(jī)將空氣壓縮進(jìn)儲氣罐內(nèi)，通過電磁閥和壓力表自動調(diào)節(jié)供氣流量。冷氣系統(tǒng)是供氣系統(tǒng)的附屬子系統(tǒng)，支線管路接在總閥前，通過調(diào)節(jié)冷氣管路上的兩個(gè)節(jié)流閥控制二次流的流量和壓力。加熱系統(tǒng)組成部分為供油系統(tǒng)、電加熱爐、燃燒室和穩(wěn)流器。主流空氣經(jīng)過電加熱器的加熱，進(jìn)入燃燒室與航空煤油充分摻混后點(diǎn)火燃燒，并通過改變供油壓力來控制火焰溫度。燃燒室出口連接著穩(wěn)流器，穩(wěn)流器是一個(gè)空心圓筒，其直徑大約是管路直徑的3倍。穩(wěn)流器的出口安裝了一個(gè)漸縮噴管，噴管采用了圓轉(zhuǎn)方形的幾何結(jié)構(gòu)，目的是為了讓氣流得到均勻充分的過渡。穩(wěn)流器的作用是使高溫燃?xì)馓幱诰鶆驙顟B(tài)后再進(jìn)入試驗(yàn)段。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

試驗(yàn)段的主體結(jié)構(gòu)如圖2所示，實(shí)物如圖3所示。圖2中，L1表示燃燒室出口后所接的穩(wěn)流段，長度為880 mm；L2表示穩(wěn)流段到測溫耙的距離，為86 mm；L3表示測溫耙到氣膜冷卻平板試驗(yàn)件之間的距離，為100 mm；L4表示測溫耙寬度，為96 mm；L6表示氣膜冷卻平板試驗(yàn)件到其后壓力計(jì)測點(diǎn)距離，為20 mm；L5、L8為通道長度，分別為730 mm和600 mm；L7表示通道寬度，為130 mm。除了試驗(yàn)件為高溫合金材料，其余試驗(yàn)段所用材料均為不銹鋼。燃?xì)饨?jīng)過測溫耙后，水平掠過帶有冷氣孔的金屬平板，與平板間形成對流換熱。在試驗(yàn)段壁面夾層內(nèi)通循環(huán)冷卻水，使試驗(yàn)段的耐受溫度達(dá)到800 ℃。

圖2 試驗(yàn)段示意圖

圖3 試驗(yàn)段實(shí)物圖

試驗(yàn)件的結(jié)構(gòu)如圖4所示，試驗(yàn)件長156 mm，寬76 mm，厚度2 mm。平板模型共三排氣膜孔，每排孔數(shù)24，孔徑1 mm，孔傾斜角60°。加工選用的材料為GH3044高溫合金，材料參數(shù)參見文獻(xiàn)[15]。圖中編號1-1～2-4的點(diǎn)為采用傳統(tǒng)埋偶測量方案安裝的微細(xì)熱電偶測量端所在位置，對稱分布在冷氣孔下游區(qū)域。對稱非等距地布置8個(gè)測點(diǎn)的目的是消除主流燃?xì)馊肟跍囟炔痪鶆驅(qū)е碌臏y溫誤差。

1.2 實(shí)驗(yàn)條件

采用熱電偶測溫耙監(jiān)測并獲取主流燃?xì)鉁囟葓龇植?，測溫耙結(jié)構(gòu)及其布置位置如圖5所示。測溫耙共六個(gè)測點(diǎn)，分別對應(yīng)圖中通道截面所劃分的1～6共六個(gè)區(qū)域，以測點(diǎn)溫度代替該區(qū)域平均溫度。

圖4 氣膜冷卻平板試驗(yàn)件

圖5 測溫耙結(jié)構(gòu)及其在主流通道位置示意圖

實(shí)驗(yàn)中控制吹風(fēng)比M為0.9，主流流量QV為600 m3/h，主流速度u∞為20 m/s，冷氣溫度T2為20 ℃，熱電偶溫度采樣頻率f為1 Hz。選擇三種不同主流入口溫度T∞，分別為500 ℃、650 ℃、800 ℃；選擇四種不同冷氣流量uj，分別為1 m3/h、1.5 m3/h、2 m3/h、2.5 m3/h。

1.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

1.3.1 無涂層氣膜冷卻平板熱沖擊實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)主要探討了不同主流溫度、不同冷氣流量的情況下，氣膜冷卻平板上溫度動態(tài)響應(yīng)以及溫度梯度的變化，為后續(xù)有涂層平板實(shí)驗(yàn)提供參考。

(1)主流溫度不同

控制冷氣流量為1.5 m3/h，研究主流溫度T∞分別為500 ℃、650 ℃、800 ℃時(shí)，從“啟動”到“停車”過程，氣膜冷卻平板上布置的測點(diǎn)溫度隨時(shí)間的變化規(guī)律。數(shù)據(jù)采集所得主流燃?xì)馊肟跍囟入S時(shí)間變化結(jié)果如圖6所示，氣膜冷卻平板測點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化結(jié)果如圖7所示。

圖6 主流溫度隨時(shí)間變化

圖7 氣膜冷卻平板測溫點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化

如圖6所示，主流燃?xì)鉁囟仍诜€(wěn)定后雖出現(xiàn)一定波動，但幅度較小，且六個(gè)測點(diǎn)的溫差在可接受范圍內(nèi)，表明主流燃?xì)饩鶆蛐约胺€(wěn)定性較好。如圖7所示，當(dāng)點(diǎn)火“啟動“約100 s后，即在100 s～350 s時(shí)間內(nèi)，燃?xì)鉁囟壬仙群苄?，認(rèn)為該時(shí)間內(nèi)平板處在穩(wěn)定狀態(tài)，其測得的各測點(diǎn)之間的溫度為對應(yīng)主流溫度下的準(zhǔn)確值。各測點(diǎn)間的溫度梯度隨著主流溫度的增大而增大。測點(diǎn)1-1與測點(diǎn)2-1的溫度均隨著主流燃?xì)馊肟跍囟鹊脑龃蠖龃?，但測點(diǎn)1-1的溫度在三種主流溫度下均大于測點(diǎn)2-1的溫度。測點(diǎn)1-1與測點(diǎn)2-1的溫差是主流分溫度布不完全對稱造成的，但其溫差值與本身的溫度值相比較小，不會影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。測點(diǎn)1-2(2-2)～1-4(2-4)的變化規(guī)律與測點(diǎn)1-1和2-1的變化規(guī)律相同。測點(diǎn)的溫度值從1-1(2-1)到1-4(2-4)逐漸降低，這是由于測點(diǎn)與氣孔間的距離不同造成的，距氣孔越遠(yuǎn)溫度越高。

(2)冷氣流量不同

控制入口溫度為650 ℃，研究不同冷氣流量uj分別為1 m3/h、1.5 m3/h、2 m3/h、2.5 m3/h時(shí)，從“啟動”到“停車”過程，氣膜冷卻平板上布置的測點(diǎn)溫度隨時(shí)間的變化規(guī)律。數(shù)據(jù)采集所得主流溫度隨時(shí)間變化結(jié)果如圖8所示，氣膜冷卻平板測點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化結(jié)果如圖9所示。

如圖8所示，主流燃?xì)鉁囟仍诜€(wěn)定后雖出現(xiàn)一定波動，但幅度較小，且六個(gè)測點(diǎn)的溫度值差距在可接受范圍內(nèi)，表明主流燃?xì)饩鶆蛐约胺€(wěn)定性較好。如圖9所示，隨冷氣流量的增加，氣膜冷卻孔下游測點(diǎn)區(qū)域溫度呈下降趨勢，且在uj=1.5 m3/h后，冷氣量的增大對該區(qū)域溫度影響不明顯。此外，各測點(diǎn)的溫度梯度隨冷氣流量的增大而降低。測點(diǎn)1-1的溫度在四種冷氣流量下均大于測點(diǎn)2-1的溫度。測點(diǎn)1-1與測點(diǎn)2-1的溫差是主流分溫度布不完全對稱造成的，但其溫差值與本身的溫度值相比較小，不會影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。測點(diǎn)1-2(2-2)～1-4(2-4)的變化規(guī)律與測點(diǎn)1-1和2-1的變化規(guī)律相同。測點(diǎn)的溫度值從1-1(2-1)到1-4(2-4)逐漸降低，這是由于測點(diǎn)與氣孔間的距離不同造成的，距氣孔越遠(yuǎn)溫度越高。

圖8 主流溫度隨時(shí)間變化

圖9 氣膜冷卻平板測溫點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化

1.3.2 帶涂層氣膜冷卻平板熱沖擊實(shí)驗(yàn)

在無涂層氣膜冷卻平板的氣膜孔下游(測點(diǎn)2-2～2-4所在區(qū)域)噴涂涂層(黃色區(qū)域)，帶涂層氣膜冷卻平板結(jié)構(gòu)如圖10所示。

帶涂層氣膜冷卻平板熱沖擊實(shí)驗(yàn)的三種工況分別為：主流溫度為650 ℃、冷氣流量1.5 m3/h；主流溫度650 ℃、冷氣流量2.0 m3/h；主流溫度800 ℃、冷氣流量1.5 m3/h。主流燃?xì)馊肟跍囟入S時(shí)間變化結(jié)果如圖11所示，帶涂層氣膜冷卻平板測點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化結(jié)果如圖12所示。

圖10 帶涂層氣膜冷卻平板結(jié)構(gòu)

圖11 主流燃?xì)馊肟跍囟入S時(shí)間變化

圖12 帶涂層氣膜冷卻平板測點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化

當(dāng)冷氣流量增加時(shí)，圖9顯示無涂層平板氣膜孔下游測點(diǎn)溫度幅值顯著降低，圖12(a)、(c)顯示帶涂層平板氣膜孔下游測點(diǎn)溫度趨勢及幅值基本一致。比較圖12(a)、(b)可知，隨著主流燃?xì)鉁囟鹊纳撸瑤繉悠桨鍤饽た紫掠螠y點(diǎn)溫度增幅高于無涂層平板。這表明，涂層的存在降低了氣膜孔下游區(qū)域的氣膜冷卻效率。這是由于平板上氣膜孔中噴出的冷氣受到涂層前緣的干擾，與主流燃?xì)鈸交欤瑹o法有效附著在平板表面形成保護(hù)氣膜，未能有效降低涂層區(qū)域葉片表面溫度。

2 結(jié)論

通過有/無涂層的氣膜冷卻平板熱沖擊實(shí)驗(yàn)研究，在考慮了不同主流燃?xì)馊肟跍囟燃安煌錃饬髁壳闆r下，可以得到如下結(jié)論：

(1)在“啟動”后的100 s～350 s時(shí)間內(nèi)，燃?xì)鉁囟壬仙确啪?，認(rèn)為該時(shí)間內(nèi)平板處在穩(wěn)定狀態(tài)，其測得的各測點(diǎn)之間的溫度梯度為對應(yīng)主流燃?xì)馊肟跍囟认碌臏?zhǔn)確值。

(2)無涂層情況下，冷氣孔下游測點(diǎn)間的溫度梯度會隨著主流溫度的增大而增大，隨著冷氣流量的增大而減小。

(3)涂層引入后，氣膜孔下游區(qū)域的氣膜冷卻效率顯著降低。隨著主流溫度的升高，帶涂層平板氣膜孔下游測點(diǎn)溫度增幅高于無涂層平板。隨著冷氣量的升高，帶涂層平板氣膜孔下游測點(diǎn)溫度降幅低于無涂層平板。