射流角和質(zhì)量流量比對(duì)渦輪端壁氣膜冷卻特性的影響

張韋馨，劉戰(zhàn)勝，楊星，劉釗，豐鎮(zhèn)平

(西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，710049，西安)

提高渦輪的入口溫度能有效提高渦輪的性能,但是渦輪進(jìn)口溫度受限于其熱端部件金屬材料的耐熱性能。解決這一問題的手段目前主要有兩種,一是研發(fā)可耐更高溫度的材料(包括部件材料和熱障涂層材料),二是采用高效率的冷卻手段對(duì)這些高溫部件進(jìn)行保護(hù)[1]。對(duì)于材料的研發(fā)來說,目前的G級(jí)與J級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)中,運(yùn)行中高溫部件材料的耐溫能力略大于900 ℃,熱障涂層所能夠提供的溫度保護(hù)約為50 ℃,剩下的近600 ℃則全部靠高效的冷卻技術(shù)來保證燃?xì)廨啓C(jī)安全可靠運(yùn)行[2]。

氣膜冷卻是重要的渦輪冷卻技術(shù)之一,渦輪端壁受到復(fù)雜的二次流動(dòng)影響,如通道渦、馬蹄渦等,其冷卻比較困難。在目前的設(shè)計(jì)中,比較常見的冷卻方式為在渦輪的端壁入口開設(shè)槽縫或成排氣膜孔,并在流道的中間布置離散氣膜孔對(duì)端壁進(jìn)行冷卻。這種端壁冷卻方案受到近端壁區(qū)域復(fù)雜流動(dòng)結(jié)構(gòu)的影響,其前緣根部和壓力面附近區(qū)域難以冷卻。因此,開展渦輪端壁氣膜冷卻研究對(duì)先進(jìn)渦輪設(shè)計(jì)很有必要。

2005年,Thole等在其研究的前緣泄漏流對(duì)端壁的氣膜冷卻特性的基礎(chǔ)上,通過對(duì)泄漏流無法冷卻的區(qū)域合理布置氣膜孔,從而優(yōu)化了整個(gè)端壁的氣膜冷卻特性[3]。隨后,Colban等使用數(shù)值模擬與紅外熱成像測(cè)量實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法,研究了不同形狀的氣膜孔對(duì)端壁表面全氣膜冷卻特性和葉柵氣動(dòng)損失的影響,發(fā)現(xiàn)扇形孔的冷卻效果優(yōu)于圓形孔的[4]。Colban等進(jìn)一步研究了扇形孔對(duì)端壁氣膜冷卻特性的影響[5-8]。Li等利用壓力敏感漆技術(shù)研究了2種密度比下葉柵端壁全氣膜冷卻特性,發(fā)現(xiàn)在大密度比下葉柵前緣附近的氣膜冷卻效率高于小密度比的[9]。劉高文等在低速葉柵風(fēng)洞中研究了端壁附近的流動(dòng)機(jī)理和換熱規(guī)律,結(jié)果表明端壁附近存在復(fù)雜的渦系結(jié)構(gòu),氣膜冷卻射流對(duì)葉柵端壁附近流場(chǎng)有重要影響,氣膜冷卻有效度受端壁二次流動(dòng)結(jié)構(gòu)影響較大[10-11]。王子健對(duì)渦輪葉柵端壁上游的4種冷卻結(jié)構(gòu)進(jìn)行了數(shù)值模擬,發(fā)現(xiàn)上游槽縫抑制了下游射流孔與主流耦合渦的生成,提高了端壁氣膜冷卻效率[12]。張揚(yáng)等研究了來流攻角對(duì)高壓渦輪進(jìn)口導(dǎo)葉端壁氣膜冷卻的影響,發(fā)現(xiàn)正負(fù)攻角均對(duì)端壁氣膜冷卻效率有削弱作用[13]。李寧坤等研究了跨聲速渦輪靜葉端壁的氣膜冷卻特性,發(fā)現(xiàn)對(duì)于所選取的渦輪端壁結(jié)構(gòu)及邊界條件,存在最佳的進(jìn)口吹風(fēng)比使氣膜有效度最高[14]。祝培源等研究了槽縫射流對(duì)環(huán)形葉柵端壁氣膜冷卻性能的影響,結(jié)果表明提高槽縫射流的質(zhì)量流量比可以提高端壁氣膜冷卻有效度[15]。姚韻嘉等研究了間隙射流對(duì)端壁氣膜冷卻性能的影響,發(fā)現(xiàn)提高冷氣質(zhì)量流量比會(huì)提高端壁氣膜有效度,增加間隙射流角度則會(huì)削弱端壁氣膜有效度[16]。杜昆等研究了低進(jìn)口湍流度條件下槽縫射流對(duì)靜葉端壁冷卻性能的影響,發(fā)現(xiàn)端壁邊界型線可改變節(jié)距方向的槽縫冷卻射流的流量分配,影響下游端壁的冷卻效果[17]。白波等研究了上游后向臺(tái)階結(jié)構(gòu)對(duì)跨聲速透平葉柵端壁上游雙排離散氣膜孔冷卻效率的影響,結(jié)果表明上游臺(tái)階結(jié)構(gòu)顯著影響了端壁熱負(fù)荷與溫度分布,隨著上游臺(tái)階高度增加,端壁氣膜冷卻效率先增加后減小[18]。劉璐萱等研究了進(jìn)口端壁不重合對(duì)跨聲速透平葉柵端壁流動(dòng)和傳熱特性的影響,結(jié)果表明進(jìn)口臺(tái)階結(jié)構(gòu)在葉片前緣上游區(qū)域形成了再附著渦、空腔渦和輔助渦等復(fù)雜的后臺(tái)階流渦系,并隨著進(jìn)口臺(tái)階高度的增大,上游前緣高傳熱區(qū)控制面積和傳熱系數(shù)均逐漸增大[19]。

綜上,目前的研究主要集中于前緣泄漏流和離散氣膜孔孔型對(duì)端壁冷卻特性的影響。上述研究中的數(shù)值模擬僅僅是參考對(duì)照的作用,且邊界條件過于理想化,難以體現(xiàn)實(shí)際的端壁流動(dòng)換熱特性;實(shí)驗(yàn)研究受限于實(shí)驗(yàn)條件,只能選取部分結(jié)構(gòu)作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象。本文在前人研究的基礎(chǔ)上,采用數(shù)值模擬的方法,對(duì)端壁表面離散氣膜孔冷卻的質(zhì)量流量比(mr)和射流角度(α)對(duì)其氣膜冷卻特性進(jìn)行研究,以獲得更佳冷卻性能的葉片端壁氣膜冷卻方案。

1 計(jì)算模型和數(shù)值方法

1.1 計(jì)算模型

計(jì)算模型選取某航空發(fā)動(dòng)機(jī)第一級(jí)靜葉端壁。圖1為靜葉端壁流道數(shù)值計(jì)算模型。計(jì)算模型與實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ捅３忠恢耓20],流道高度H為50.4 mm,柵距l(xiāng)為107.15 mm,主流沖角為0°。為了使冷氣的進(jìn)口流動(dòng)更接近真實(shí)情況,整個(gè)端壁表面布置的氣膜孔與葉片前緣槽縫冷氣均使用供氣室進(jìn)行供氣,槽縫泄漏流供氣腔兩側(cè)為周期性邊界與下方延伸段連接。端壁離散氣膜孔共11個(gè),與主流進(jìn)口面平行布置成3排,氣膜孔直徑d為1.8 mm,長(zhǎng)徑比l/d為2.95,氣膜孔射流角度α為40°,復(fù)合角γ為74°,孔排位置到葉片前緣距離Cax標(biāo)注于圖1c。

(a)流道整體模型

1.2 數(shù)值方法與邊界條件

計(jì)算中對(duì)流項(xiàng)采用高精度離散格式,比定壓熱容設(shè)置為溫度的函數(shù),導(dǎo)熱系數(shù)和黏性系數(shù)采用Sutherland公式。進(jìn)出口邊界條件與實(shí)驗(yàn)時(shí)的保持一致,主流為空氣,進(jìn)口總溫308 K,進(jìn)口速度V與實(shí)驗(yàn)一致(圖2),為熱線風(fēng)速儀測(cè)定的主流進(jìn)口截面速度分布,平均馬赫數(shù)為0.04;主流出口平均靜壓為98.918 kPa,平均馬赫數(shù)為0.23。試驗(yàn)中為保證密度比為1.7,冷氣采用CO2,冷氣進(jìn)口靜溫為271 K。由于光滑壁面會(huì)比粗糙壁面的端壁平均溫度計(jì)算值高,偏離試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果,因此實(shí)際試驗(yàn)中端壁并不是絕對(duì)光滑的。依據(jù)試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果,設(shè)定端壁表面粗糙度為0.01 mm,計(jì)算了恒定熱流和絕熱2種情況,其余壁面均為絕熱光滑壁面。

圖2 主流進(jìn)口展向速度分布

1.3 湍流模型驗(yàn)證

圖3 不同湍流模型計(jì)算的周向平均氣膜冷卻效率與試驗(yàn)結(jié)果比較

從圖3可以看出,采用SSTk-w湍流模型數(shù)值計(jì)算的軸向氣膜冷卻效率與實(shí)驗(yàn)結(jié)果趨勢(shì)吻合,數(shù)值接近,最大相對(duì)誤差為14.28%。因此,本文所有計(jì)算均采用SSTk-w湍流模型進(jìn)行。

1.4 網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證

采用冷氣mr=1.4%時(shí)的工況進(jìn)行了網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證,網(wǎng)格劃分采用ICEM軟件,生成非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,并在近壁面區(qū)域進(jìn)行加密,保證所有尺度網(wǎng)格近壁面第一層網(wǎng)格y+小于1,從壁面向外推進(jìn)比小于1.2。采用1 475.3萬、2 165.8萬、2 584.6萬和3 212.1萬等幾套網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性考核。圖4給出了不同網(wǎng)格數(shù)下端壁整體面積加權(quán)平均氣膜冷卻效率ηT,當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量提升到2 165.8萬后,再進(jìn)一步增加網(wǎng)格端壁整體面積加權(quán)平均氣膜冷卻效率變化不大。為保證計(jì)算得精度并平衡計(jì)算時(shí)間,本文數(shù)值模擬采用的網(wǎng)格數(shù)選擇在2 165.8萬及以上。

圖4 不同網(wǎng)格數(shù)下端壁整體面積加權(quán)平均氣膜冷卻效率

2 結(jié)果與分析

2.1 冷氣質(zhì)量流量比對(duì)端壁氣膜冷卻特性的影響

為研究冷氣質(zhì)量流量比對(duì)端壁流動(dòng)傳熱特性的影響,分別計(jì)算了冷氣質(zhì)量流量比為1.4%、2.1%、2.7%、3.1%、3.8%時(shí),端壁的流動(dòng)、換熱以及冷卻特性。

2.1.1 不同冷氣質(zhì)量流量比下端壁流動(dòng)特性 圖5給出了不同冷氣質(zhì)量流量比條件下氣膜孔排出口處垂直出流方向截面(z/d=0～10)位置。圖6與圖7給出該位置氣膜孔截面的流線與端壁表面極限流線分布。可以看出,氣膜冷卻射流在端壁處形成腎形渦。主流方向與氣膜冷卻射流方向存在的差異,造成氣膜冷卻射流向主流方向偏移,此外,隨著冷氣質(zhì)量流量比的逐漸增大,氣膜孔出口下游的流線與端壁表面分離逐漸增強(qiáng),表明射流流速過大導(dǎo)致氣膜吹離端壁。此外,氣膜冷卻射流形成的腎形渦也隨著質(zhì)量流量比的增大逐漸增強(qiáng),在較大的質(zhì)量流量比下從端壁表面脫離,進(jìn)入主流。圖8為不同質(zhì)量流量比下葉柵出口截面的平均總壓損失系數(shù),隨著冷氣質(zhì)量流量比的逐漸增加,葉柵損失增加。

圖5 氣膜孔出口截面位置

(a)mr=1.4%

圖7 mr=1.4%時(shí)端壁極限流線

圖8 不同冷氣質(zhì)量流量比下葉柵出口總壓損失系數(shù)

2.1.2 不同冷氣質(zhì)量流量比條件下端壁氣膜冷卻特性 圖9給出不同質(zhì)量流量比下端壁的冷卻效率。當(dāng)冷氣質(zhì)量流量比為1.4%時(shí),端壁平均氣膜冷卻效率達(dá)到0.21;隨著冷氣流量增加,氣膜冷卻射流動(dòng)量在垂直葉柵展向上的分量增大,因此氣膜被吹離端壁表面,近氣膜孔出口處氣膜冷卻效率下降;氣膜冷卻射流動(dòng)量在端壁平面的分量也增大,導(dǎo)致氣膜覆蓋區(qū)域整體向下游偏移,且隨著氣膜的偏移,端壁出口附近的氣膜向主流方向偏轉(zhuǎn)。形成上述現(xiàn)象的主要原因是,受到上游主通道渦的卷吸以及端壁本身橫流條件的影響,氣膜整體沿著氣膜冷卻射流的流動(dòng)方向分布直至貼附于吸力面?zhèn)?沿著吸力面向下游發(fā)展,并迅速衰減。氣膜孔陣列由一個(gè)供氣室供氣,在靠近端壁上游壓力面?zhèn)鹊臍饽た壮隹趬毫^下游的氣膜孔大,發(fā)生了部分堵塞。吹風(fēng)比越大,堵塞越嚴(yán)重,此時(shí)孔排中靠近下游的氣膜孔受到出流影響出口壓降增加,出流流量分布的不均衡加劇,而這種不均衡同時(shí)也增加了氣膜的吹離和向下游偏移,使得端壁的氣膜冷卻性能在冷氣質(zhì)量流量比過大的情況下迅速惡化。

(a)mr=1.4%

圖10給出了不同冷氣質(zhì)量流量比下周向平均氣膜冷卻效率的軸向分布。從圖中可以看出,在x/d<35范圍內(nèi),mr=1.4%時(shí)的氣膜冷卻效率較其他工況高。當(dāng)冷氣質(zhì)量流量比從1.4%提高時(shí),氣膜吹離端壁表面,端壁上的氣膜冷卻效率迅速下降,而在x/d=35時(shí),已經(jīng)貼附吸力面的氣膜發(fā)生了部分偏移,較大冷氣質(zhì)量流量比時(shí),冷卻效率會(huì)更高,與圖6和圖7的結(jié)果一致。

圖10 不同冷氣質(zhì)量流量比下周向平均氣膜冷卻效率的軸向分布

圖11給出了不同冷氣質(zhì)量流量比下端壁的整體平均氣膜冷卻效率?？梢钥闯?在計(jì)算范圍內(nèi),隨冷氣質(zhì)量流量比增大,端壁表面整體平均冷卻效率逐漸減小,但減少的幅度越來越小。表明當(dāng)冷氣質(zhì)量流量比增加到一定程度時(shí),該種氣膜孔布置對(duì)冷卻氣膜的流量比的敏感性降低。氣膜冷卻射流占主流的比例過大,嚴(yán)重影響了葉柵本身的流動(dòng)條件,如圖6所示。因此,冷氣質(zhì)量流量比需要控制在合理的范圍內(nèi)。

圖11 端壁整體平均氣膜冷卻效率隨冷氣質(zhì)量流量比的變化

2.1.3 不同冷氣質(zhì)量流量比條件下端壁換熱特性 為了研究端壁換熱特性,在給定熱流密度條件下,計(jì)算了5種冷氣質(zhì)量流量比下端壁的Nu分布,如圖12所示?？梢钥闯?隨著冷氣質(zhì)量流量比逐漸增大,氣膜孔出口方向下游的高換熱區(qū)面積逐漸增加。形成該現(xiàn)象的主要原因是,隨著冷氣質(zhì)量流量比的增加,氣膜冷卻射流動(dòng)量在端壁平面的分量增加,造成氣膜向下游的偏移,氣膜與下游流體的摻混增強(qiáng),氣膜孔出口附近該現(xiàn)象更明顯。從圖12還可以看出,葉柵近出口部分端壁靠近壓力面?zhèn)葥Q熱增強(qiáng),這是因?yàn)樵诮Y(jié)構(gòu)上葉柵通道通流面積逐漸減小,流動(dòng)速度逐漸增加,動(dòng)量交換進(jìn)一步強(qiáng)化,而氣膜由于通道渦的卷吸以及端壁的橫流作用向吸力面偏轉(zhuǎn),壓力面?zhèn)鹊慕菧u區(qū)域以及下游區(qū)域的換熱進(jìn)一步增加。在實(shí)際的燃機(jī)中,該區(qū)域也是比較容易被燒蝕。

(a)mr=1.4%

2.2 射流角對(duì)端壁氣膜冷卻與傳熱特性影響

2.2.1 不同射流角條件下端壁流動(dòng)特性 在冷氣質(zhì)量流量比為1.4%的工況下,分析了20°、25°、30°、35°和40°等5種射流角下端壁的流動(dòng)傳熱及氣膜冷卻特性。圖13給出了不同射流角條件下氣膜孔排出口截面的流動(dòng)特性。隨著射流角度增大,冷卻射流出口的腎形渦逐漸增強(qiáng),冷氣受到主流的影響增強(qiáng),冷氣分布逐漸發(fā)生偏移。這主要是冷卻射流動(dòng)量在保持一定的情況下,冷氣動(dòng)量在端壁平面的分量減小,而在垂直葉柵展向的分量增加的結(jié)果。圖14給出了氣膜冷卻射流流線分布,結(jié)合圖13可知,射流角度的調(diào)整會(huì)影響射流動(dòng)量垂直葉柵展向分量的大小,進(jìn)一步影響冷氣射流與主流的摻混強(qiáng)度。

(a)α=20°

圖14 α=40°時(shí)氣膜冷卻射流流線分布

2.2.2 不同射流角條件下端壁氣膜冷卻特性 氣膜孔射流角度影響氣膜冷氣的出流狀態(tài)及其在端壁上的冷卻特性。圖15給出了不同氣膜冷氣射流角度下端壁氣膜冷卻效率,結(jié)合2.1.1小節(jié)所展示的流線分布圖可以得到,隨著射流角度的減小,冷氣動(dòng)量在端壁平面上的分量增加,垂直端壁方向的動(dòng)量逐漸減小,削弱了氣膜從端壁表面的吹離的能力,改善了上游氣膜孔的堵塞現(xiàn)象。上述現(xiàn)象產(chǎn)生的原因是氣膜冷卻射流動(dòng)量方向的變化,水平方向動(dòng)量的增加會(huì)提高冷氣氣膜在端壁表面的覆蓋面積,同時(shí)抵抗端壁橫流以及通道渦的卷吸作用,因此在計(jì)算范圍內(nèi)氣膜冷卻效率隨射流角度減小而提高。

(a)α=40°

圖16與圖17給出了不同射流角條件下的氣膜冷卻效率周向均值沿軸向的分布以及端壁整體平均氣膜冷卻效率。從圖中可以看出,在mr=1.4%的工況下,計(jì)算范圍內(nèi)射流角最小(α=20°)時(shí),端壁平均氣膜冷卻效率達(dá)到0.27,端壁周向平均及整體平均氣膜冷卻效率達(dá)到最高。

圖16 不同射流角下端壁氣膜冷卻效率周向平均值沿軸向分布

圖17 不同射流角下端壁整體平均氣膜冷卻效率

氣膜冷卻效率周向均值分布表明,射流角的變化只改變了氣膜冷卻效率的大小,并未改變?cè)撾x散氣膜孔結(jié)構(gòu)下端壁周向平均氣膜冷卻效率的分布規(guī)律;在通道渦的影響下,靠近端壁吸力面的氣膜會(huì)迅速衰減,射流角度較小時(shí),冷卻射流動(dòng)量在端壁平面上的分量較大,抑制了卷吸效果。

2.2.3 不同射流角條件下端壁換熱特性 圖18給出了不同射流角度下端壁的Nu分布?？梢钥闯?在氣膜孔α=20°時(shí),氣膜孔出口下游的端壁換熱能力最強(qiáng),在端壁氣膜孔出口下游的冷氣對(duì)近端壁主流擾動(dòng)增強(qiáng),增強(qiáng)了端壁整體的換熱能力。而當(dāng)射流角度逐漸增加時(shí),冷卻射流動(dòng)量在端壁平面的分量降低,冷氣對(duì)近壁面區(qū)主流的擾動(dòng)減弱;同時(shí)冷卻射流動(dòng)量在葉柵展向的分量增大,吹離端壁表面的冷氣量也增加,也削弱了端壁表面的換熱能力。因此,在計(jì)算范圍內(nèi),當(dāng)氣膜孔射流角度為20°時(shí),整個(gè)端壁的換熱能力是最強(qiáng)的,是由端壁上離散氣膜孔冷卻射流與近端壁區(qū)域主流的摻混引起的。

(a)α=40°

3 結(jié) 論

(1)在原實(shí)驗(yàn)件氣膜孔的位置處,增大冷氣質(zhì)量流量比會(huì)減小氣膜冷卻效率,且隨著冷氣質(zhì)量流量比的提高,氣膜孔出口冷氣動(dòng)量迅速增加,導(dǎo)致氣膜吹離端壁表面;在質(zhì)量流量比為1.4%,相同射流角條件下,整個(gè)端壁的冷卻效率最高,為0.21。

(2)增大冷氣質(zhì)量流量比會(huì)增加氣膜孔出口附近的換熱效率;由于吹離的冷氣量增加,被吹離的冷氣在葉柵出口端壁下游與原有端壁通道渦系的摻混隨之增強(qiáng)。

(3)在原本實(shí)驗(yàn)件氣膜孔的布置處,減小冷氣射流角度會(huì)增加氣膜冷卻效率,且隨著射流角度的提高,氣膜孔出口冷氣動(dòng)量在端壁平面分量增加,抑制氣膜吹離端壁表面;在相同質(zhì)量流量比條件下,射流角20°時(shí)冷卻效率最高,為0.27,同時(shí)冷氣出流對(duì)近端壁表面主流的擾動(dòng)增強(qiáng),換熱增強(qiáng)。