跨音速渦輪葉片吸力面氣膜冷卻特性研究

付仲議 余強

(1.中國航發(fā)湖南動力機械研究所，湖南株洲 412002；2.中小型航空發(fā)動機葉輪機械湖南省重點實驗室，湖南株洲 412002)

隨著航空發(fā)動機的發(fā)展，渦輪前溫度越來越高，為了保護渦輪葉片不被高溫損壞，在渦輪葉片的冷卻中廣泛使用了氣膜冷卻技術(shù)，氣膜冷卻即為在葉片表面開有氣膜孔，冷卻氣體從氣膜孔噴出貼附在葉片表面形成一層冷氣膜，避免高溫燃氣與葉片表面直接接觸，達到保護葉片的作用。通常會在葉片表面不同位置處布置多排氣膜孔，使氣膜完整均勻地覆蓋在葉片表面。為了進行葉片表面多排氣膜孔的整體冷卻設(shè)計，必須首先對葉片不同位置處單排氣膜孔的冷卻特性進行研究。Jiang[1]研究了在低速風(fēng)洞中氣膜冷卻效率受孔位的影響。Winka[2]等人研究了圓形氣膜孔冷卻效率受葉片表面曲率的影響，發(fā)現(xiàn)凸面曲率處的冷卻效率更高，凹面曲率處的冷卻效率較低。但是在高速風(fēng)洞中，對渦輪葉片上不同位置處單排簸箕形氣膜孔冷卻效率的研究較少，本文將通過實驗得到渦輪導(dǎo)葉吸力面上接近真實氣動條件下，不同位置處單排簸箕形氣膜孔的氣膜冷卻特性。

1.實驗裝置及方法

實驗件氣膜孔在吸力面取3個孔位的簸箕孔，冷卻氣體從葉片內(nèi)部圓柱型腔向氣膜孔供氣。吸力面從前緣至尾緣為氣膜孔1至氣膜孔3，分別位于某型發(fā)動機渦輪導(dǎo)向葉片的吸力面7%，12%，25%相對弧長位置，共分為3個實驗件。圖1給出了各位置簸箕孔的詳細的結(jié)構(gòu)參數(shù)，其中孔1的孔徑D為0.95mm，孔間距P/D為7.5，擴張段展向角β為20°，流向角α為40°；孔2和孔3的孔徑D均為0.85mm，孔間距P/D為8.5，擴張段展向角為β20°，流向角為α30°。換熱實驗中由于對主流進行加熱代價較高且難以實現(xiàn)，所以采用反向熱流法，即主流為常溫，而在實驗前用熱氣將實驗葉片加熱至溫度均勻。

圖1 簸箕形氣膜孔結(jié)構(gòu)圖

2.實驗工況及數(shù)據(jù)處理

2.1 實驗工況

實驗葉柵進口雷諾數(shù)和吹風(fēng)比的定義分別為：

式（1）中ρ1，V1，μ1分別為葉柵入口的氣流密度、速度和動力粘性系數(shù)，L為葉柵弦長；式（2）中（ρV）g和（ρV）sec分別為主流和二次流的當(dāng)?shù)孛芏群退俣瘸朔e。實驗中主流雷諾數(shù)Re保持為4.0×105，氣膜孔的冷氣吹風(fēng)比M為0.6，1.2，1.5和2.1。

2.2 數(shù)據(jù)處理

本實驗是基于一維半無限大假設(shè)條件下的瞬態(tài)實驗。絕熱氣膜冷卻效率定義為：其中Taw為絕熱壁溫，Tgr為主流恢復(fù)溫度，Tc為冷氣溫度。

3.結(jié)果分析

3.1 冷卻效率測量結(jié)果

圖2給出了Re=4.0×105下各個位置處氣膜冷卻效率隨吹風(fēng)比變化的實驗結(jié)果。橫坐標(biāo)中x為孔后測點位置距離氣膜孔的距離，d為孔徑。從圖中可以看出，除了氣膜孔1的近孔區(qū)域（x/d＜30）的吹風(fēng)比增大會使冷卻效率降低，其余各位置吹風(fēng)比增大會使冷卻效率先升高后降低?？孜?和孔位3處在大吹風(fēng)比(M≥1.5)時，與小吹風(fēng)比相比，近孔區(qū)域的冷卻效率明顯減小，而孔位2在大吹風(fēng)比下，在近孔區(qū)域仍能保持較高冷卻效率，這說明與氣膜孔1和3相比，位置2處冷氣出流后對壁面擁有更好的貼附性，在較大吹風(fēng)比下，這一特性尤為明顯。不過隨著孔后距離的增大，孔位2的冷卻效率下降較快，在x/d＞80的區(qū)域已與其他孔位的冷卻效率差別不大。在遠離孔的下游區(qū)域（x/d＞30），各排氣膜孔的冷卻效率隨著吹風(fēng)比的增大而先增大后減小，在M=1.2時達到最大值。需要注意的是，在較小吹風(fēng)比（M=0.6）下，雖然近孔區(qū)域可以得到較高的冷卻效率，但是隨著與孔距離的增加，冷卻效率迅速降低，以至于在遠離孔的下游處，其冷卻效率低于較大吹風(fēng)比下的冷卻效率。對于氣膜孔1和3，當(dāng)吹風(fēng)比增大到1.5時，氣膜冷卻效率的衰減速度逐漸減緩，當(dāng)M=2.1時，冷卻效率基本沒有明顯的減小，孔位1的冷卻效率在x/d=40處反而有回升的趨勢。

圖2 吹風(fēng)比對各個氣膜孔冷卻效率的影響;Ma=0.9

3.2 計算結(jié)果分析

圖3給出了各位置處氣膜孔出口截面溫度場和速度矢量分布的計算結(jié)果，可對不同位置處氣膜孔的冷卻效率實驗結(jié)果進行機理分析。本文采用SST（shear stress transport）k-ω模型，近壁面采用增強型壁面函數(shù)法，溫度采取反向熱流，二次流進口溫度為400K，主流進口溫度為300K，與實驗條件基本一致。從圖3中的氣膜孔出口截面溫度場和速度矢量分布可以看出，3個位置氣膜孔出流后，在氣膜孔出口處的壁面上方均形成了一對反向旋轉(zhuǎn)的對渦，這與圓柱形孔氣膜冷卻的流動特性相似。氣膜孔1和氣膜孔3相比，氣膜孔2出口處的反向?qū)u距離較遠，位于二次流的邊緣區(qū)域，反向渦對二次流和主流的摻混以及對冷氣的抬升效果相對較小，二次流中心區(qū)域能夠較好的貼附壁面。而氣膜孔1和氣膜孔3出口處的反向?qū)u位于二次流中心區(qū)域，對二次流的抬升作用明顯，二次流中心區(qū)域已明顯脫離壁面。

圖3 氣膜孔出口截面速度矢量和溫度分布;M=1.2

4.結(jié)語

本文研究了渦輪導(dǎo)葉吸力面不同位置處單排簸箕形氣膜孔的氣膜冷卻特性，結(jié)論如下：

靠近前緣的氣膜孔1在近孔區(qū)域（x/d＜20）冷卻效率隨著吹風(fēng)比的增大而減小，氣膜孔2和3的冷卻效率在整個孔后區(qū)域均隨著吹風(fēng)比的增大先增大后減小，中等吹風(fēng)比（M=1.2）工況下，整體冷卻效率較高，氣膜冷卻效果最好。

位于吸力面凸面的氣膜孔2處表面曲率和主流加速度都較大，氣膜對壁面的貼附性較好，即使在大吹風(fēng)比下，在整個孔后區(qū)域都能有較高的冷卻效率，這說明在葉片吸力面凸面處開設(shè)氣膜孔冷卻效果較好。