輪緣間隙出流對(duì)下游動(dòng)葉端壁氣膜冷卻特性的影響

高 慶，屈 杰，王 汀，馬汀山，居文平，李 軍

(1．西安熱工研究院有限公司，西安 710054； 2．西安交通大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，西安 710049)

在航空發(fā)動(dòng)機(jī)和重型燃?xì)廨啓C(jī)的主流通道與渦輪盤腔交接區(qū)域會(huì)發(fā)生高溫燃?xì)馊肭值默F(xiàn)象，高溫燃?xì)馊肭诌M(jìn)入渦輪盤腔，會(huì)造成渦輪盤過熱，導(dǎo)致其壽命縮短。目前，主要通過從壓氣機(jī)中引入冷空氣來冷卻渦輪盤，空氣在封嚴(yán)渦輪盤的同時(shí)會(huì)通過輪緣密封間隙匯入主流通道，對(duì)下游動(dòng)葉端壁面起到一定的氣膜保護(hù)作用。

Blair[1]研究了靜葉上游槽縫出流對(duì)靜葉端壁的冷卻效果，發(fā)現(xiàn)在二次流的影響下靜葉尾緣下游處端壁的傳熱系數(shù)沿周向劇烈變化。對(duì)此，Graziani等[2]進(jìn)一步指出，在葉柵通道二次流的影響下，葉片吸力面?zhèn)鹊膫鳠嵯禂?shù)較壓力面?zhèn)茸兓鼊×?。Harasgama等[3]實(shí)驗(yàn)研究了在典型燃?xì)夤r下單級(jí)透平的氣動(dòng)性能和換熱性能，發(fā)現(xiàn)由于冷卻氣流被快速卷入通道渦中，端壁處的努塞爾數(shù)Nu最大降幅為50%。Friedrichs等[4]詳細(xì)論述了氨氮測(cè)試法在端壁氣膜冷卻效率測(cè)量過程中的應(yīng)用。Zhang等[5]通過實(shí)驗(yàn)對(duì)比了采用離散孔和離散槽供氣方式時(shí)端壁的溫度分布。Lynch等[6]以靜葉端壁結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，并在靜葉端壁中設(shè)置了非軸對(duì)稱端壁結(jié)構(gòu)。Oke等[7-9]采用平面葉柵實(shí)驗(yàn)臺(tái)研究了槽縫間隙結(jié)構(gòu)對(duì)端壁換熱性能的影響，并對(duì)比了單縫與雙縫結(jié)構(gòu)的氣膜冷卻效率。Chyu[10]指出端壁幾何形狀和間隙射流結(jié)構(gòu)等對(duì)端壁氣膜冷卻效率有重要影響。

隨著流動(dòng)動(dòng)態(tài)測(cè)試技術(shù)和數(shù)值計(jì)算能力的發(fā)展，關(guān)于間隙冷卻氣流對(duì)下游端壁冷卻特性的影響研究逐步拓展到動(dòng)葉端壁面。Dring等[11]采用低轉(zhuǎn)速實(shí)驗(yàn)臺(tái)研究了輪緣密封間隙射流對(duì)動(dòng)葉端壁的冷卻影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)與平板實(shí)驗(yàn)類似，氣膜冷卻效率在靜葉吸力面提升幅度較小，但在葉片壓力面處有較大幅度的提升。Takeishi等[12]通過氣相色譜法測(cè)量了旋轉(zhuǎn)動(dòng)葉對(duì)流傳熱系數(shù)沿葉高的分布。Abhari等[13]采用薄膜熱通量計(jì)量法對(duì)動(dòng)葉的換熱性能進(jìn)行了研究。Blair[14]針對(duì)動(dòng)葉端壁的換熱性能和壓力分布進(jìn)行了測(cè)量。Ahn等[15]采用壓敏涂層測(cè)試技術(shù)對(duì)動(dòng)葉前緣處的氣膜冷卻特性進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)速會(huì)顯著影響動(dòng)葉前緣氣膜冷卻效率的分布。Pau等[16]發(fā)現(xiàn)輪緣間隙出流會(huì)顯著影響動(dòng)葉端壁面處的壓力分布和傳熱系數(shù)。

目前，關(guān)于輪緣間隙出流對(duì)動(dòng)葉端壁氣膜冷卻特性影響的研究較少[17-18]。因此，筆者研究了輪緣間隙出流與主流相互作用下動(dòng)葉端壁的冷卻特性，分析了冷卻氣流質(zhì)量流量比和進(jìn)氣預(yù)旋度等氣動(dòng)參數(shù)對(duì)動(dòng)葉端壁冷卻特性的影響規(guī)律，旨在為燃?xì)廨啓C(jī)裝置二次空氣冷卻供應(yīng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)支撐。

1 計(jì)算模型和計(jì)算方法

計(jì)算模型為燃?xì)廨啓C(jī)裝置的二次空氣冷卻供應(yīng)系統(tǒng)的輪緣間隙部分。計(jì)算域包括透平主流通道和渦輪盤。圖1為輪緣間隙二維結(jié)構(gòu)示意圖，其中輪緣密封端面半徑b為345 mm，輪緣密封軸向間隙Sc為4 mm，輪緣密封齒厚Sca,rad為5 mm，盤腔動(dòng)靜間距S為30 mm。輪緣間隙結(jié)構(gòu)選用優(yōu)化后的圓形密封間隙結(jié)構(gòu)[19]。主流通道中渦輪級(jí)葉型選用高負(fù)荷、低展弦比透平葉型，靜葉為30只，動(dòng)葉為45只，詳細(xì)參數(shù)見文獻(xiàn)[20]。其中，輪緣密封軸向間隙比Gc,ax為0.023，盤腔間隙比G為0.087。

圖1 輪緣密封間隙結(jié)構(gòu)二維示意圖

圖2為計(jì)算域的網(wǎng)格示意圖。多塊結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格由NUMECA-AUTOGRID模塊生成，主流渦輪級(jí)流道拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用H-O-H結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，葉片表面采用O型拓?fù)渚W(wǎng)格，葉片進(jìn)出口延伸處以及盤腔結(jié)構(gòu)處為H型結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。生成網(wǎng)格時(shí)保證渦輪級(jí)主流通道與渦輪轉(zhuǎn)-靜盤腔內(nèi)在密封間隙處的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)完全匹配，以保證求解精度。

圖2 計(jì)算域的網(wǎng)格示意圖

為驗(yàn)證網(wǎng)格無關(guān)性，研究4種網(wǎng)格密度對(duì)端壁冷卻特性的影響，對(duì)應(yīng)的計(jì)算域總網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)總數(shù)分別為450萬、412萬、383萬和256萬。驗(yàn)證工況如下：采用空氣作為工質(zhì)，給定主流進(jìn)口總壓p0為123 000 Pa，總溫為500 K，主流出口平均靜壓pout為101 325 Pa，冷卻氣流進(jìn)口質(zhì)量流量qm,seal為0.17 kg/s。給定冷卻氣流進(jìn)口總溫為300 K，旋轉(zhuǎn)區(qū)域轉(zhuǎn)速為3 600 r/min。固壁面設(shè)置為無滑移絕熱壁面，動(dòng)靜計(jì)算域交界面位置設(shè)在渦輪盤上游，連接方式為混合平面。對(duì)流項(xiàng)空間差分采用高精度混合格式，湍流模型采用SST模型。當(dāng)連續(xù)方程、動(dòng)量方程、能量方程和湍流方程的均方根殘差均達(dá)到10-5數(shù)量級(jí)，且各計(jì)算域進(jìn)出口質(zhì)量流量不平衡率小于0.1%時(shí)，認(rèn)為計(jì)算收斂。圖3給出了冷卻效率隨x/Cax的變化趨勢(shì)，其中x為軸向位置，Cax為動(dòng)葉軸向弦長。從圖3可以看出，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)超過412萬后，氣膜冷卻效率的計(jì)算結(jié)果不再隨網(wǎng)格數(shù)的變化而發(fā)生改變，可以認(rèn)為達(dá)到網(wǎng)格無關(guān)的條件，因此采用網(wǎng)格數(shù)為412萬。

圖3 網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證

2 計(jì)算結(jié)果與分析

2.1 冷卻氣流質(zhì)量流量比的影響

冷卻氣流質(zhì)量流量比MR為：

(1)

式中：qm,seal為冷卻氣流質(zhì)量流量；qm,main為主流質(zhì)量流量。

圖4給出了不同冷卻氣流質(zhì)量流量比下動(dòng)葉端壁氣膜冷卻效率的分布情況。當(dāng)MR較小時(shí)，渦輪盤內(nèi)充壓不足，輪緣間隙大部分區(qū)域處于入侵狀態(tài)，冷卻氣流只能從輪緣密封間隙的低壓流動(dòng)區(qū)域進(jìn)入主流通道，冷卻氣流從靠近葉片吸力面的動(dòng)葉低壓勢(shì)位區(qū)進(jìn)入葉柵通道，且由于冷卻氣流質(zhì)量流量較小，主流入侵渦輪盤時(shí)會(huì)在渦輪盤內(nèi)對(duì)冷卻氣流進(jìn)行加熱，使得冷卻氣流溫度升高。同時(shí)，出流的少量冷卻氣流也極易被主流摻混進(jìn)而被再次加熱，喪失冷卻能力，具體表現(xiàn)為在動(dòng)葉前緣處氣膜覆蓋面積較小，冷卻效率較低。

由圖4還可以看出，MR較小時(shí)動(dòng)葉通道內(nèi)無明顯的橫向流動(dòng)現(xiàn)象。隨著MR增大至1%，冷卻氣流在動(dòng)葉前緣處的冷卻能力增強(qiáng)，在動(dòng)葉前緣端壁處冷卻效率和覆蓋面積相比MR較小時(shí)均明顯提高，但由于氣流攻角發(fā)生變化，從冷卻氣流痕跡可以清楚觀察到通道內(nèi)的橫向流動(dòng)現(xiàn)象，冷卻氣流跨過動(dòng)葉前緣撞擊在下游葉片的吸力面處，隨后被卷入吸力面的馬蹄渦中。當(dāng)MR繼續(xù)增大至2%，動(dòng)葉前緣處的冷卻效率進(jìn)一步提高。由于冷卻氣流過早地被卷入通道渦中，在動(dòng)葉通道中后弦長區(qū)域無法獲得良好的氣膜保護(hù)，此時(shí)冷卻效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于前緣區(qū)域，即使MR增大至2.5%，這一現(xiàn)象仍存在。為使所有動(dòng)葉通道均能獲得良好的氣膜保護(hù)，需要在動(dòng)葉通道中后弦長區(qū)域加設(shè)氣膜孔結(jié)構(gòu)，或采用冷卻氣流預(yù)旋進(jìn)氣方法進(jìn)行改善。

(a) MR=0.25%

(b) MR=0.5%

(c) MR=1%

(d) MR=1.5%

(e) MR=2%

(f) MR=2.5%

圖5給出了不同MR下周向平均氣膜冷卻效率沿軸向的分布。當(dāng)MR為0.25%和0.5%時(shí)，動(dòng)葉前緣附近和動(dòng)葉通道中的冷卻效率均極低，最大不超過0.4。當(dāng)MR增大至1%時(shí)，動(dòng)葉前緣處的冷卻效率提高，增幅可達(dá)0.5，在動(dòng)葉前緣區(qū)域冷卻效率達(dá)到0.8，在葉柵通道中后部(0.4≤x/Cax≤1)冷卻效率仍較低，維持在0.2左右。當(dāng)MR繼續(xù)增大，雖然動(dòng)葉前緣處的冷卻效率仍提高，但增幅逐漸減小，且葉柵通道中后部的冷卻效率無明顯改善。當(dāng)MR達(dá)到2.5%時(shí)，葉柵通道中后部的冷卻效率僅維持在0.22左右。

圖5 不同MR下周向平均氣膜冷卻效率沿軸向的分布情況

MR較小時(shí)，冷卻氣流易被摻混加熱，使得動(dòng)葉前緣處氣膜覆蓋面積較小，冷卻效率較低。存在某一冷卻氣流質(zhì)量流量比限值，當(dāng)超過該限值時(shí)渦輪盤內(nèi)完全充壓封嚴(yán),冷卻氣流沿整個(gè)輪緣密封間隙呈出流狀態(tài)，此時(shí)氣膜可以較好地覆蓋動(dòng)葉下端壁前緣區(qū)域。當(dāng)MR繼續(xù)增大時(shí)，動(dòng)葉前緣區(qū)域的冷卻效率小幅提高，但即使在冷卻氣流質(zhì)量流量比很大的工況下由于受到通道中較強(qiáng)橫向流動(dòng)的影響，冷卻氣流仍無法使動(dòng)葉通道中后部端壁區(qū)域獲得良好的氣膜保護(hù)。

2.2 冷卻氣流進(jìn)氣預(yù)旋度的影響

取MR為2.5%，冷卻氣流進(jìn)口溫度為300 K，6個(gè)工況的進(jìn)氣預(yù)旋度分別為0、1、2、3、4和5。冷卻氣流進(jìn)氣預(yù)旋度Kβ的定義如下：

(2)

式中：Vt,seal為冷卻氣流進(jìn)口切向速度；Ω為渦輪盤轉(zhuǎn)速。

圖6給出了不同進(jìn)氣預(yù)旋度下動(dòng)葉端壁氣膜冷卻效率的分布。隨著進(jìn)氣預(yù)旋度的增大，動(dòng)葉端壁通道中的氣膜覆蓋面積逐漸增加，當(dāng)進(jìn)氣預(yù)旋度分別為0、1和2時(shí)，冷卻氣流沒有完全覆蓋動(dòng)葉通道端壁后部，但前緣處的覆蓋面積增加；當(dāng)進(jìn)氣預(yù)旋度達(dá)到3時(shí)，由于冷卻氣流以設(shè)計(jì)氣流攻角進(jìn)入動(dòng)葉通道中，冷卻氣流會(huì)均勻地流過葉柵通道，因此所有動(dòng)葉通道均得到良好的氣膜保護(hù)，冷卻效率達(dá)0.9；當(dāng)進(jìn)氣預(yù)旋度繼續(xù)增大至4和5時(shí)，由于氣流直接沖擊在葉片壓力面處，壓力面附近區(qū)域的冷卻效率進(jìn)一步提高，但由于正氣流攻角流動(dòng)的特征，導(dǎo)致氣流在葉片表面出現(xiàn)輕微的流動(dòng)分離現(xiàn)象，因此在吸力面附近區(qū)域冷卻效率有所降低。

圖7給出了不同進(jìn)氣預(yù)旋度下周向平均氣膜冷卻效率沿軸向的分布。隨著進(jìn)氣預(yù)旋度的增大，周向平均氣膜冷卻效率呈先增大后減小的趨勢(shì)。當(dāng)進(jìn)氣預(yù)旋度為3時(shí)，周向平均氣膜冷卻效率達(dá)到最大，此時(shí)冷卻氣流以近設(shè)計(jì)氣流攻角進(jìn)入動(dòng)葉通道。結(jié)果表明，通過增大進(jìn)氣預(yù)旋度，使動(dòng)葉進(jìn)口出現(xiàn)正氣流攻角流動(dòng)，可以有效抑制通道中橫向流將冷卻氣流卷吸進(jìn)入馬蹄渦進(jìn)而使渦核抬升的現(xiàn)象，因此可以有效提高動(dòng)葉通道后部的冷卻效率。此外，通過調(diào)整進(jìn)氣預(yù)旋度使冷卻氣流以設(shè)計(jì)氣流攻角進(jìn)入動(dòng)葉通道，可以獲得最佳的氣膜冷卻特性。

3 結(jié) 論

(1) 冷卻氣流質(zhì)量流量比較小時(shí)，渦輪盤內(nèi)充壓不足，輪緣間隙大部分區(qū)域處于入侵狀態(tài)，入侵主流會(huì)在渦輪盤內(nèi)對(duì)冷卻氣流進(jìn)行加熱，使冷卻氣流溫度升高，同時(shí)出流的少量冷卻氣流也極易被主流摻混而再次被加熱，進(jìn)而喪失冷卻能力，使得動(dòng)葉前緣處氣膜覆蓋面積較小，冷卻效率較低。

圖7 不同進(jìn)氣預(yù)旋度下周向平均氣膜冷卻效率沿軸向的分布

(2) 存在冷卻氣流質(zhì)量流量比限值，當(dāng)超過該限值時(shí)渦輪盤內(nèi)處于完全充壓封嚴(yán)狀態(tài)，此時(shí)冷卻氣流將沿整個(gè)輪緣間隙呈出流狀態(tài)，氣膜可以較好地覆蓋動(dòng)葉下端壁前緣區(qū)域。當(dāng)MR繼續(xù)增大，動(dòng)葉前緣區(qū)域的冷卻效率進(jìn)一步小幅提高，但即使在MR很大的工況下，冷卻氣流仍無法使動(dòng)葉通道中后部端壁區(qū)域獲得良好的氣膜保護(hù)。

(3) 采用預(yù)旋進(jìn)氣可以明顯改善動(dòng)葉中后部端壁區(qū)域的氣膜冷卻特性。隨著進(jìn)氣預(yù)旋度的增大，動(dòng)葉端壁通道中的氣膜覆蓋面積逐漸增大，當(dāng)調(diào)整進(jìn)氣預(yù)旋度使冷卻氣流以設(shè)計(jì)氣流攻角進(jìn)入動(dòng)葉通道時(shí)，動(dòng)葉端壁將獲得最佳的氣膜冷卻特性。