氣冷渦輪葉片綜合冷卻特性實(shí)驗(yàn)研究

魏景濤，鐘 博，劉陽(yáng)鵬，楊衛(wèi)華

(1.南京航空航天大學(xué) 能源與動(dòng)力學(xué)院， 南京 210016；2.中國(guó)航發(fā)商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司 設(shè)計(jì)研發(fā)中心， 上海 200241)

航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率和輸出功率隨著渦輪前溫度的提高而增加[1]。日益提升的渦輪前溫度對(duì)渦輪葉片的耐超高溫性能提出了更高的要求。受制于材料耐溫性能的發(fā)展，針對(duì)現(xiàn)有材料開(kāi)展高效的強(qiáng)化冷卻技術(shù)研究是一種成本低、見(jiàn)效快的方法[2]。渦輪葉片冷卻技術(shù)的推進(jìn)主要依靠技術(shù)革新、發(fā)展新型冷卻結(jié)構(gòu)以及挖掘現(xiàn)有冷卻結(jié)構(gòu)的冷卻潛力。渦輪葉片設(shè)計(jì)階段初期，針對(duì)葉片不同區(qū)域分別展開(kāi)氣膜冷卻和內(nèi)部換熱的基礎(chǔ)研究，使用基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行葉片冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；而性能優(yōu)化階段，有必要獲得葉片冷卻設(shè)計(jì)的核心評(píng)價(jià)指標(biāo)綜合冷卻效果[3]，用以優(yōu)化冷卻結(jié)構(gòu)布局和冷卻氣體的流量分配。

渦輪葉片冷卻技術(shù)主要分為內(nèi)部換熱和外部冷卻。內(nèi)部換熱方面，國(guó)內(nèi)外對(duì)肋化通道形狀、肋片形狀及其安裝角度、柱肋結(jié)構(gòu)、沖擊冷卻結(jié)構(gòu)、雷諾數(shù)等參數(shù)對(duì)內(nèi)部強(qiáng)化換熱的影響開(kāi)展了大量研究。劉湘云等[4]采用實(shí)驗(yàn)的方法研究了有氣膜出流時(shí)帶肋變截面U型通道中的換熱特性。王培梟等[5]采用實(shí)驗(yàn)方法展開(kāi)了阻塞比、肋倒角及肋寬對(duì)異形肋化通道換熱特性的研究。Yang[6]和周明軒等[7]采用實(shí)驗(yàn)的方法研究了矩形通道中幾何和流動(dòng)參數(shù)對(duì)高阻塞比帶肋通道換熱特性的影響。白萬(wàn)棟等[8]研究發(fā)現(xiàn)不同的上游肋片結(jié)構(gòu)對(duì)下游肋柱冷卻結(jié)構(gòu)的強(qiáng)化傳熱影響差別較大，W形肋片對(duì)柱肋強(qiáng)化換熱水平提升最明顯。Chyu[9]使用液晶研究了圓形、方形和菱形的錯(cuò)排擾流柱的換熱特性。Murata[10]采用紅外熱成像技術(shù)研究了尾緣劈縫結(jié)構(gòu)中肋板形狀對(duì)尾緣區(qū)域冷卻效率和換熱系數(shù)的影響。沖擊冷卻能夠有效降低強(qiáng)化葉片內(nèi)表面換熱，Stoakes[11]采用數(shù)值模擬及實(shí)驗(yàn)手段研究了雙層壁的換熱特性，研究中改變了沖擊孔直徑，沖擊孔間距，沖擊孔個(gè)數(shù)，沖擊射流孔距靶面距離。張宗衛(wèi)等[12]采用液晶測(cè)量技術(shù)研究了射流、旋流、出流復(fù)合作用下矩形通道的流動(dòng)和換熱特性。葉片外部的氣膜冷卻特性研究?jī)?nèi)容豐富，包括雷諾數(shù)、湍流度、吹風(fēng)比、氣膜孔位置、氣膜孔排布和氣膜孔形狀等對(duì)葉片外部換熱的影響研究。Zhang[13]采用數(shù)值研究的方法，分析對(duì)比了3種樹(shù)狀新型氣膜孔與單孔結(jié)構(gòu)冷卻效果的差別，發(fā)現(xiàn)氣膜孔分叉越多冷卻效果越好。Xue[14]通過(guò)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算研究了葉片表面扇形孔的換熱特性，揭示了主流的流動(dòng)狀態(tài)對(duì)冷卻效率和換熱系數(shù)的影響原因。陳大為等[15]采用壓敏漆技術(shù)研究了上游尾跡對(duì)吸力面和壓力面帶有單排簸箕形氣膜孔的渦輪動(dòng)葉表面氣膜冷卻效率的影響。王克菲等[16]采用實(shí)驗(yàn)方法研究了吸力面的不同位置的簸箕孔型氣膜孔的冷卻特性，發(fā)現(xiàn)了吹風(fēng)比與氣膜貼壁特性的規(guī)律。上述研究為渦輪葉片冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了參考，但不同冷卻結(jié)構(gòu)的組合對(duì)葉片的綜合冷卻效果影響較大，設(shè)計(jì)完成后需要采用綜合冷卻效果這一評(píng)價(jià)指標(biāo)去衡量葉片冷卻結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣[17]。許多學(xué)者采用在葉片表面用電火花開(kāi)槽埋設(shè)熱電偶的方法研究葉片的綜合冷卻特性[18-19]。由于紅外測(cè)溫技術(shù)可以獲得更加全面的溫度場(chǎng)信息，在換熱性能研究領(lǐng)域應(yīng)用越來(lái)越廣。Rhee等[20]采用紅外熱像儀研究了多種冷卻結(jié)構(gòu)葉片的壓力面綜合冷卻效果。李廣超等[21]采用紅外測(cè)溫技術(shù)獲得了葉片表面綜合冷卻效果二維分布以及展向平均和區(qū)域平均綜合冷卻效果隨流量比的變化規(guī)律。文獻(xiàn)[22]采用紅外熱像儀對(duì)葉片表面的溫度分布進(jìn)行了測(cè)量，得到了葉片的綜合冷卻效率隨流量比、溫比、主流進(jìn)口雷諾數(shù)和湍流度的變化規(guī)律。

熱電偶測(cè)量精度雖高卻不能得到葉片整體的溫度分布信息，而紅外熱像儀雖可以獲得葉片表面溫度分布，但受拍攝角度和測(cè)量環(huán)境等因素影響，拍攝視角與被測(cè)表面法向夾角需小于60°才能保證溫度場(chǎng)的準(zhǔn)確性[23]，對(duì)于復(fù)雜彎扭渦輪葉片直接使用紅外測(cè)量會(huì)引起較大的實(shí)驗(yàn)誤差較大。

為了克服熱電偶或紅外熱像儀單一測(cè)量方式在葉片綜合冷卻效果實(shí)驗(yàn)中遇到的困難，本文利用熱電偶與紅外測(cè)量?jī)?yōu)勢(shì)，在葉片表面埋設(shè)熱電偶用于校正葉片不同區(qū)域的紅外測(cè)量結(jié)果，從而得到較準(zhǔn)確的葉片表面溫度分布，對(duì)使用紅外測(cè)量的實(shí)驗(yàn)具有一定參考價(jià)值，并且本文在保證葉尖間隙滿足設(shè)計(jì)要求的情況下采用在葉頂開(kāi)設(shè)紅外窗口的方式基本可以拍攝到無(wú)遮擋的葉片表面溫度分布，同時(shí)觀測(cè)到下緣板的溫度分布，實(shí)驗(yàn)結(jié)果和結(jié)論有助于更好地認(rèn)識(shí)和理解主次流流量比、葉柵入口雷諾數(shù)和主流溫度對(duì)渦輪葉片的綜合冷卻效果的影響，為渦輪葉片的冷卻設(shè)計(jì)提供參考，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)也可用于指導(dǎo)渦輪葉片冷卻結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)和熱分析。

1 實(shí)驗(yàn)裝置及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

圖1為實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由主流供氣管路、次流供氣管路和實(shí)驗(yàn)段組成。對(duì)于主流供氣管路，由空氣壓縮機(jī)流出的空氣經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓罐形成穩(wěn)定均勻的氣流，之后流經(jīng)槽道流量計(jì)，通過(guò)電加熱器將氣流加熱至目標(biāo)溫度后流向?qū)嶒?yàn)段。次流管路包括截止閥，羅茨流量計(jì)和加熱器，氣流通過(guò)穩(wěn)壓罐進(jìn)入次流管路，調(diào)節(jié)閥門控制進(jìn)入實(shí)驗(yàn)段的冷氣量。實(shí)驗(yàn)段中葉柵進(jìn)出口及次流入口均布有熱電偶和壓力探針，以測(cè)量相關(guān)位置處氣流的溫度、總壓和靜壓。圖2為實(shí)驗(yàn)段照片，葉片上方開(kāi)設(shè)窗口用以安裝藍(lán)寶石紅外玻璃(根據(jù)本課題組經(jīng)驗(yàn)，在高溫高壓下普通氟化鋇紅外玻璃強(qiáng)度不夠，必須采用高強(qiáng)度的藍(lán)寶石紅外玻璃才能完成實(shí)驗(yàn))，保證使用紅外熱像儀對(duì)葉片全表面溫度場(chǎng)的測(cè)量，同時(shí)通過(guò)玻璃夾具精確控制葉頂間隙為0.5 mm。實(shí)驗(yàn)葉柵由3個(gè)渦輪葉片組成，每個(gè)葉片單獨(dú)供氣，葉片表面均勻噴涂耐高溫啞光黑漆，使葉片不同位置黑度一致，葉片材料為GH4169，其中中間葉片為主葉片，其余為陪襯葉片，用于形成周期性條件，渦輪葉片壁面溫度由埋設(shè)的熱電偶和紅外熱像系統(tǒng)同時(shí)測(cè)量。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

圖2 實(shí)驗(yàn)段照片

1.2 實(shí)驗(yàn)件

為避免葉片表面直接焊接熱電偶對(duì)測(cè)量造成影響，在葉片表面用電火花開(kāi)設(shè)熱電偶槽，總共埋設(shè)13支直徑為0.5 mm的K型鎧裝熱電偶，熱電偶位置如圖3所示，其中壓力面7根，吸力面6根，熱電偶弧長(zhǎng)間距均小于4 mm。測(cè)點(diǎn)位于50%葉高截面上，葉片沿葉高方向扭曲角度不大，以紅外相機(jī)拍攝點(diǎn)位與葉片中截面點(diǎn)為基準(zhǔn)線，無(wú)論是葉頂處還是葉根處和相機(jī)點(diǎn)位的連線與基準(zhǔn)線連線的夾角均小于30°，表明50%葉高測(cè)點(diǎn)可以對(duì)葉片表面紅外測(cè)量結(jié)果進(jìn)行較好校正。熱電偶固定好后，在葉片表面噴涂與葉片相同的材料，填充熱電偶與葉片間隙，通過(guò)精細(xì)打磨保證葉片表面不發(fā)生變化，埋偶噴涂后實(shí)體葉片如圖3所示。圖4示出了紅外熱像儀測(cè)量位置的水平投影視角，測(cè)量過(guò)程中，多臺(tái)紅外熱像儀在葉片上方不同位置處拍攝得到主葉片全表面溫度分布。其中1號(hào)紅外熱像儀拍攝區(qū)域?yàn)槿~片壓力面；2號(hào)紅外熱像儀拍攝區(qū)域?yàn)榍熬墱咕€到吸力面0.4倍弧長(zhǎng)處；3號(hào)紅外熱像儀拍攝區(qū)域?yàn)槲γ?.4倍弧長(zhǎng)處至吸力面尾緣。圖5示出了葉片內(nèi)腔流道簡(jiǎn)圖，葉片內(nèi)部流道由腔1、腔2、腔3組成。

圖3 埋偶后葉片照片

圖4 熱電偶埋設(shè)位置及紅外測(cè)量視角

圖5 葉片內(nèi)腔結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

1.3 紅外測(cè)溫修正

實(shí)驗(yàn)采用紅外熱像儀測(cè)量葉片表面溫度分布，其測(cè)量準(zhǔn)確度受被測(cè)物體表面發(fā)射率、反射溫度、測(cè)量角度和介質(zhì)性質(zhì)(介質(zhì)溫度、發(fā)射率、透射率)等因素影響，因此需要對(duì)紅外熱像儀測(cè)量結(jié)果進(jìn)行修正。

紅外熱像儀通過(guò)接收被測(cè)物體表面輻射來(lái)計(jì)算溫度，根據(jù)其接收的輻射來(lái)源可分為：目標(biāo)自身輻射、環(huán)境反射輻射和介質(zhì)輻射[24]。紅外熱像儀接收的輻射可以表示為：

Eλ=A0d-2(φ+ψ+φ)

(1)

式中：φ=τaλελLbλ(T0)，φ=εaλLbλ(Ta)，ψ=τaλ(1-αλ)Lbλ(Tu)，A0為熱像儀瞬時(shí)視場(chǎng)面積，d為目標(biāo)物體與熱像儀之間的距離，ελ為目標(biāo)表面發(fā)射率，τaλ為介質(zhì)透過(guò)率，εaλ為介質(zhì)發(fā)射率，T0為目標(biāo)表面溫度，Tu為被測(cè)物體周圍環(huán)境溫度，Ta為介質(zhì)溫度。

在近距離紅外測(cè)溫過(guò)程中(熱像儀與目標(biāo)表面距離在0.5 m以內(nèi))，文獻(xiàn)[22]推導(dǎo)出簡(jiǎn)化后的滿足灰體條件的熱像儀真實(shí)溫度計(jì)算公式：

(2)

本文將葉片中截面布置的熱電偶測(cè)得的溫度視為當(dāng)?shù)卣鎸?shí)溫度，根據(jù)式(2)得到葉片表面不同位置的名義發(fā)射率，計(jì)算后獲得葉片表面名義發(fā)射率在0.65～0.78之間，進(jìn)而對(duì)紅外熱像儀進(jìn)行測(cè)溫結(jié)果分區(qū)修正，獲得葉片外表面溫度分布云圖。圖6為葉片中截面溫度熱電偶測(cè)量結(jié)果與校正后紅外測(cè)量的結(jié)果對(duì)比。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出：熱電偶測(cè)量結(jié)果與紅外測(cè)溫結(jié)果吻合良好，保證了熱像儀測(cè)溫精度。

圖6 紅外校正結(jié)果與熱電偶測(cè)量結(jié)果比較

2 實(shí)驗(yàn)工況及數(shù)據(jù)處理

2.1 實(shí)驗(yàn)工況

短周期葉柵通道通過(guò)主次流流量比、葉柵入口雷諾數(shù)、主次流溫比以及主流溫度確定實(shí)驗(yàn)工況。

KG=Gc/Gg

(3)

Re=ρccgb/μg

(4)

KT=Tg/Tc

(5)

式(3)中:Gc為次流質(zhì)量流量，Gg為主流質(zhì)量流量；式(4)中：ρc、cg、μg分別為葉柵進(jìn)口氣流密度、平均流速以及動(dòng)力黏度，b為葉片中截面弦長(zhǎng)；式(5)中：Tg為主流的溫度，Tc為次流的溫度本實(shí)驗(yàn)溫比為1.83，其他具體實(shí)驗(yàn)工況如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)工況

2.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

綜合冷卻效果定義為：

η=(Tg-Tw)/(Tg-Tc)

(6)

式中，Tw為葉片表面溫度。

葉片按弧長(zhǎng)平均的綜合冷卻效果定義為：

(7)

式中，L為葉片外表面總弧長(zhǎng)，ΔSi為測(cè)點(diǎn)i處對(duì)應(yīng)的弧長(zhǎng)。

2.3 實(shí)驗(yàn)誤差

本實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，槽道流量計(jì)的量程為0.05～0.8 kg/s，精度為1級(jí)；羅茨流量計(jì)量程為0.5～100 m3/h，精度為1級(jí)；溫度巡檢儀量程為0～999 ℃，誤差為0.5%；壓力掃描閥量程為35psi，誤差為0.05%；紅外熱像儀測(cè)溫范圍為0～1 000 ℃，分辨率為±0.1 ℃；實(shí)驗(yàn)溫度范圍內(nèi)用K型鎧裝熱電偶允差值為±2.5 ℃。根據(jù)誤差傳遞分析方法計(jì)算出本實(shí)驗(yàn)葉片表面溫度不確定度為3.17%，綜合冷卻效果不確定度為4.31%。

3 結(jié)果與討論

3.1 葉片溫度場(chǎng)分析

圖7為設(shè)計(jì)工況下(KG=0.062、Re=150 000)葉片表面溫度分布云圖?？梢钥闯?，葉片前緣駐點(diǎn)區(qū)域Ⅰ(葉根至葉身1/3處)受到高溫主流直接沖擊使邊界層減薄強(qiáng)化了此處換熱，且由于內(nèi)冷結(jié)構(gòu)的影響，氣膜孔出流并未能有效降低前緣駐點(diǎn)區(qū)域的溫度，使得在該區(qū)域溫度偏高，溫度最大值為463.3 K；而同樣受到主流強(qiáng)烈沖擊的前緣上方由于內(nèi)部冷卻通道收窄促使冷卻氣流加速流動(dòng)強(qiáng)化了換熱，并未出現(xiàn)高溫。

圖7 設(shè)計(jì)工況下葉身溫度分布云圖

壓力面區(qū)域分布有多排簸箕形氣膜孔，沿主流流動(dòng)方向，由于冷氣出流使得氣膜疊加，外部換熱強(qiáng)度減弱，壁面溫度逐漸降低，特別是葉盆側(cè)最后一排氣膜孔出流所形成的氣膜冷卻效果明顯優(yōu)于葉盆側(cè)其他排氣膜孔出流的冷卻效果，使受到高溫主流沖擊的壓力面有效冷卻；但壓力面區(qū)域Ⅱ由于處于第2個(gè)進(jìn)氣腔下游轉(zhuǎn)彎處，導(dǎo)致冷卻氣體氣量和品質(zhì)都下降，此處葉片表面溫度升高，溫度最大值為429.2 K；壓力面靠近尾緣的兩排氣膜孔及偏劈縫結(jié)構(gòu)的冷氣出流均有效降低了相關(guān)區(qū)域的溫度。

對(duì)于吸力面，前緣位置的冷氣出流使吸力面前緣處溫度有所降低，特別是在區(qū)域Ⅲ的兩排簸箕型氣膜孔的出流區(qū)域，冷卻氣膜形成明顯的帶狀分布，使得氣膜覆蓋區(qū)域溫度明顯低于吸力面其他區(qū)域，區(qū)域Ⅲ溫度最小值為342.6 K，在吸力面尾緣處由于沒(méi)有氣膜覆蓋，溫度逐漸升高。

葉身溫度最高的位置位于葉頂處，前緣葉頂高溫區(qū)及尾緣葉頂高溫區(qū)為葉頂熱負(fù)荷最大處，這兩處高溫區(qū)形成的主要原因均為處于冷氣通道下游使得出流量及品質(zhì)下降?？拷鼔毫γ娴娜~頂邊緣溫度低于吸力面葉頂邊緣處溫度，分析原因是由于葉盆位置有較多朝向葉頂方向的氣膜孔，出流的冷氣上移降低了壓力面葉頂邊緣的溫度，而吸力面葉頂由于受到來(lái)自主流及葉頂間隙的泄露流影響強(qiáng)化了其與高溫氣流的換熱，且吸力面氣膜孔朝向與主流方向基本一致，對(duì)葉頂影響有限，故該處溫度較高。葉頂凹槽除塵孔的冷氣出流很大程度上緩解了葉頂?shù)臒嶝?fù)荷，但對(duì)尾切處的葉頂影響較小。

3.2 綜合冷卻效果隨流量比的變化規(guī)律

圖8為主流溫度為555 K，雷諾數(shù)為150 000時(shí)，不同流量比時(shí)葉片壓力面和吸力面的溫度分布云圖?？梢钥闯?，就葉片整體溫度水平而言，葉身中截面平均溫度隨著流量比的增加而由428.2 K逐漸降低到366.1 K。分析原因，隨著流量比的增大，冷氣流量逐漸增大，一方面在葉片內(nèi)部冷卻通道中，冷氣流量的增大強(qiáng)化了內(nèi)冷通道中冷氣與冷卻通道壁面的換熱，促使葉片外壁面溫度降低，同時(shí)冷卻氣流的增大必然導(dǎo)致葉片表面冷氣出流量增大，氣膜層溫度降低厚度增大，有效阻隔了高溫氣流與葉片外壁面的對(duì)流換熱，使壁面溫度降低。葉頂位置處的高溫區(qū)在實(shí)驗(yàn)工況范圍內(nèi)均為主要的葉身高溫區(qū)域，但葉身其他位置處的溫度分布隨流量比的變化呈現(xiàn)出差別，小流量比下(KG≤0.05)，葉片前緣距離葉根2/3區(qū)域溫度明顯高于葉片其他區(qū)域，但在流量較大時(shí)(KG>0.062)，該區(qū)域得到了有效冷卻；同時(shí)葉盆中間區(qū)域的氣膜覆蓋較差區(qū)域隨流量比的增加得到了改善。

圖9給出了流量比對(duì)葉片中截面綜合冷卻效果的影響，橫坐標(biāo)z/s表示葉片外表面中截面某位置的相對(duì)弧長(zhǎng)，相對(duì)弧長(zhǎng)為葉片中截面某位置距前緣駐點(diǎn)的弧長(zhǎng)與壓力面(或吸力面)總弧長(zhǎng)的比值，z/s=0處為前緣駐點(diǎn)處，z/s<0為葉片吸力面相對(duì)弧長(zhǎng)，z/s>0為壓力面相對(duì)弧長(zhǎng)，圖中虛線表示對(duì)應(yīng)位置的氣膜孔(下文表示方法相同)。

由圖9可知，綜合冷卻效果的分布規(guī)律與葉片壁面溫度分布相對(duì)應(yīng)，在相同壁面位置處綜合冷卻效果隨流量比的增大而增大，在流量比KG<0.062時(shí)，綜合冷卻效果隨流量比的增大而明顯上升，這是由于在小流量比時(shí)，葉片表面氣膜層較薄，隨著流量比的增大使氣膜層增厚，抗主流干擾能力增強(qiáng)，熱阻變大，同時(shí)冷氣量的增加通過(guò)內(nèi)部冷卻通道帶走了更多的熱量，使綜合冷卻效果顯著提升，當(dāng)流量比KG>0.062，綜合冷卻效果上升幅度趨緩，沿壓力面和吸力面基本保持較高的水平；在z/s<-0.4的吸力面區(qū)域，由于葉片表面冷卻氣膜覆蓋較少，使得此區(qū)域溫度升高，綜合冷卻效果降低，尤其是在吸力面尾緣處，綜合冷卻效果最低。

圖10示出了按弧長(zhǎng)平均的綜合冷卻效果隨流量比增大的變化規(guī)律，當(dāng)流量比從0.04增加到0.08時(shí)，熱電偶測(cè)量結(jié)果顯示平均綜合冷卻效果從0.479升高到0.715，提高了49.3%，紅外測(cè)量結(jié)果顯示平均綜合冷卻效果從0.484升高到0.721，提高了49%，兩種測(cè)量方式的結(jié)果基本一致。

圖10 弧長(zhǎng)平均綜合冷卻效果隨流量比的變化

3.3 綜合冷卻效果隨雷諾數(shù)的變化規(guī)律

圖11給出了主流溫度為555 K，流量比為0.062，葉柵入口雷諾數(shù)對(duì)葉片表面溫度分布的影響?？梢钥闯?，隨著雷諾數(shù)的增加，葉身中截面平均溫度由Re=65 000時(shí)的401.6 K逐漸降低到Re=160 000時(shí)的382.3 K。其主要原因是雷諾數(shù)增加，主流流量亦隨之增大，由于主次流流量比不變，所以相應(yīng)冷氣流量亦隨主流流量逐漸增大。同時(shí)可以看出，在壓力面尾部區(qū)域，氣膜覆蓋較為明顯，氣膜冷卻在Re=160 000時(shí)效果最為出色，這主要是由于隨著主流流量的增加，冷氣流量亦隨之增大，使得葉片氣膜出流較大，氣膜覆蓋區(qū)域增加；吸力面的溫度隨著雷諾數(shù)的增加逐漸降低，氣膜覆蓋越來(lái)越好，這主要得益于雷諾數(shù)的增加使冷氣量提升。

圖11 不同葉柵入口雷諾數(shù)下葉片溫度分布云圖

圖12為葉柵雷諾數(shù)對(duì)葉片綜合冷卻效果影響規(guī)律?？梢钥闯觯弘S著雷諾數(shù)的增加，葉片綜合冷卻效果逐步上升，且整體沿葉片表面的分布規(guī)律基本不變。分析原因：由于冷氣與高溫主流流量比保持不變(KG=0.062)，主流流量與冷氣流量均逐步上升，而冷氣量的增大既有利于葉片的熱負(fù)荷降低，又能加快氣膜出流速度益于形成阻隔高溫主流的氣膜層，上述原因造成的葉身熱負(fù)荷降低效果強(qiáng)于主流高溫氣流流速增加所帶給葉片的熱負(fù)荷增加效果，使得葉片綜合冷卻效果隨雷諾數(shù)增大而增強(qiáng)，但總體的增益效果較小。圖13示出了按弧長(zhǎng)平均的綜合冷卻效果隨雷諾數(shù)增大的變化規(guī)律，當(dāng)葉柵入口雷諾數(shù)從650 00增加到160 000時(shí)，平均綜合冷卻效果由0.628上升至0.659，升高了4.93%，可知入口雷諾數(shù)對(duì)葉片綜合冷卻效率影響較小。

圖12 綜合冷卻效果隨葉柵雷諾數(shù)的變化

圖13 弧長(zhǎng)平均綜合冷卻效果隨入口雷諾數(shù)的變化

3.4 主流溫度變化對(duì)綜合冷卻效果的影響

圖14為主流溫度不同時(shí)，設(shè)計(jì)工況下，葉片壓力面和吸力面溫度分布的云圖。從圖中可以看到：葉片表面溫度隨主流溫度的增加而明顯上升，但葉片表面的溫度分布趨勢(shì)并未發(fā)生變化，前緣葉頂及尾緣葉頂處始終為葉片表面承受熱負(fù)荷最大的區(qū)域，距離葉根1/2處的前緣區(qū)域承受熱負(fù)荷次之，壓力面中間區(qū)域氣膜覆蓋較差區(qū)仍然存在。

圖14 不同主流溫度下葉片溫度分布云圖

圖15為不同主流溫度時(shí)設(shè)計(jì)工況條件下葉片綜合冷卻效果的分布，可以看出主流溫度對(duì)葉片綜合冷卻效果大小有一定的影響，但是不影響綜合冷卻效果在葉片表面的分布規(guī)律，實(shí)驗(yàn)保證了流量比、溫比一定，從而確定了次流對(duì)葉片冷卻作用的一致性。當(dāng)主流溫度為555 K時(shí)，沿弧長(zhǎng)平均的綜合冷卻效果為0.657，當(dāng)主流溫度升為614 K時(shí)，該值為0.649。分析綜合冷卻效果下降原因：在其他條件不變時(shí)，主流溫度升高，導(dǎo)致主流流速增大，主流與壁面換熱加強(qiáng)，而次流冷氣溫度變化不大，主流溫度升高相較于次流冷氣溫度升高造成流體物性變化引起的換熱增強(qiáng)較大，所以主流溫度升高，綜合冷卻效果下降。

圖15 綜合冷卻效果隨主流溫度的變化

4 結(jié)論

1) 利用熱電偶所測(cè)得的溫度數(shù)據(jù)，得到對(duì)應(yīng)區(qū)域的名義發(fā)射率，對(duì)紅外測(cè)量結(jié)果進(jìn)行分區(qū)修正得到葉片溫度分布云圖，結(jié)果顯示良好，解決了目標(biāo)表面與紅外熱像儀角度過(guò)大而帶來(lái)的測(cè)溫不準(zhǔn)確的問(wèn)題；

2) 葉片溫度場(chǎng)受到內(nèi)部換熱和外部冷卻的綜合影響，葉頂區(qū)域由于冷氣量及品質(zhì)下降成為熱負(fù)荷最大處，前緣區(qū)域和葉盆中部冷卻效果較差，當(dāng)主次流流量比大于0.062后前緣和葉盆處的冷卻效果得到明顯提升；

3) 葉柵入口雷諾數(shù)一定時(shí)，主次流流量比的增加使得綜合冷卻效果得到有效提升；主次流流量比一定時(shí)，綜合冷卻效果隨雷諾數(shù)的增大而增大，但雷諾數(shù)的增大對(duì)葉片冷卻效果帶來(lái)的增益要小于增加主次流流量比對(duì)葉片冷卻效果的貢獻(xiàn)；保持雷諾數(shù)、主次流流量比一致，增大主流溫度，葉片綜合冷卻效果略有降低。

在未來(lái)的葉片設(shè)計(jì)工作中應(yīng)當(dāng)合理提高第Ⅱ流道的流量分配比例，從而改善相關(guān)區(qū)域的冷卻效果。本實(shí)驗(yàn)是在靜止葉柵實(shí)驗(yàn)臺(tái)中完成的，未來(lái)需要在旋轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)臺(tái)中進(jìn)一步進(jìn)行測(cè)量，比較兩者差異。