動(dòng)靜干涉對(duì)葉柵前緣氣膜冷卻特性的影響

孫小愷， 王振宇， 王春華

(1. 南京航空航天大學(xué) 能源與動(dòng)力學(xué)院， 江蘇 南京 210016； 2. 南京航空航天大學(xué)， 江蘇省航空動(dòng)力系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 江蘇 南京 210016)

為追求更高的航空發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)效率和推重比，渦輪進(jìn)口溫度得到不斷提升，葉片熱負(fù)荷也隨之急劇增大，帶來了高效冷卻技術(shù)的創(chuàng)新和發(fā)展需求.氣膜冷卻作為一種極為重要的熱防護(hù)途徑而受到廣泛關(guān)注，它通過壁面上的離散孔噴注冷卻射流，在壁面熱側(cè)形成氣膜覆蓋從而起到隔離高溫主流和冷卻壁面的雙重效果.與內(nèi)部對(duì)流冷卻相比，氣膜冷卻性能的提升對(duì)冷卻結(jié)構(gòu)總體冷卻效果的提高往往具有主導(dǎo)作用.

渦輪內(nèi)部流場(chǎng)具有顯著的非定常特征，上游靜葉尾跡和勢(shì)干涉作用對(duì)下游動(dòng)葉氣膜出流和傳熱產(chǎn)生重要影響.文獻(xiàn)[1]研究發(fā)現(xiàn)在葉片吸力面和前緣，定常和非定常的氣膜冷卻效率相差不大，壓力面的冷卻效率在非定常計(jì)算時(shí)會(huì)降低.文獻(xiàn)[2]采用壓力敏感漆測(cè)試技術(shù)，研究了高壓渦輪前緣氣膜孔冷卻效率變化，發(fā)現(xiàn)上游尾跡的存在會(huì)破壞前緣冷氣覆蓋，不同吹風(fēng)比也會(huì)影響冷卻效率，在吹風(fēng)比0.9時(shí)冷卻效率最高.文獻(xiàn)[3]提出葉片的旋轉(zhuǎn)將使冷卻氣膜產(chǎn)生徑向的分量，進(jìn)而影響氣膜冷卻的效果.文獻(xiàn)[4]通過對(duì)軸流渦輪葉片損失情況的數(shù)值分析得出，勢(shì)流和尾跡的影響是葉片排損失中關(guān)鍵性的因素.文獻(xiàn)[5]利用高速風(fēng)洞、輪輻式尾跡發(fā)生器和三維熱線風(fēng)速儀研究了尾跡掃過氣膜孔時(shí),氣膜孔周圍的流場(chǎng)情況，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)尾跡掃過時(shí),冷卻氣流會(huì)發(fā)生“上揚(yáng)”現(xiàn)象.文獻(xiàn)[6]發(fā)現(xiàn)尾跡使動(dòng)葉前緣附近的流場(chǎng)重新分布，冷卻氣體向壓力側(cè)遷移，壓力側(cè)冷卻效率得到提高.文獻(xiàn)[7]研究了不同吹風(fēng)比下尾跡對(duì)動(dòng)葉氣膜冷卻效率的影響，發(fā)現(xiàn)非定常尾跡降低了葉片冷卻效率，且對(duì)吸力面氣膜冷卻效果影響最大.

國(guó)內(nèi)眾多學(xué)者也針對(duì)動(dòng)靜干涉對(duì)氣膜冷卻的影響展開研究.蔣雪輝等[8]通過試驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，對(duì)非定常尾跡對(duì)動(dòng)葉頭部氣膜冷卻進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)尾跡的作用會(huì)使前緣滯止點(diǎn)發(fā)生偏移，還會(huì)使氣膜孔下游溫比急劇下降.李少華等[9]研究了不同軸向間距尾跡對(duì)動(dòng)葉的影響，發(fā)現(xiàn)靜葉對(duì)動(dòng)葉的影響主要集中在前緣和吸力面擴(kuò)壓段起始位置.ZHOU L.等[10]研究了上游靜葉尾跡對(duì)動(dòng)葉氣膜冷卻效率的影響，結(jié)果表明在相同的靜葉尾跡條件下，動(dòng)葉的冷卻效率隨著吹風(fēng)比的增大而增加.周莉等[11]研究了不同尾跡寬度對(duì)動(dòng)葉氣膜冷卻的影響機(jī)理，發(fā)現(xiàn)當(dāng)非定常尾跡運(yùn)輸?shù)綒饽た讜r(shí)，尾跡對(duì)氣膜的影響占主導(dǎo)地位，靠近氣膜孔的區(qū)域冷卻效率降低明顯，在尾跡通過時(shí)壓力面的氣膜冷卻效率比吸力面高，且冷卻效率隨著尾跡寬度的增大而增加.WANG Y.等[12]研究了靜葉尾跡對(duì)動(dòng)葉前緣氣膜冷卻效率的影響，當(dāng)動(dòng)葉前緣被尾跡掃過時(shí)，傾斜孔比豎直孔具有更好的冷卻效率.袁鋒等[13]采用了數(shù)值模擬對(duì)旋轉(zhuǎn)渦輪葉片表面氣膜冷卻效率進(jìn)率進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)使壓力面冷卻效率降低，吸力面孔下游附近冷卻效率影響不大，較遠(yuǎn)處冷卻效率提高.蔣雪輝等[14]對(duì)非定常尾跡下流場(chǎng)和溫度場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值研究，結(jié)果表明尾跡使射流發(fā)生分流和逆流.王大磊等[15]研究發(fā)現(xiàn)尾跡和燕尾波是導(dǎo)致葉尖泄漏非定常變化的主要因素.

針對(duì)以上問題，文中以某渦輪第一級(jí)葉柵作為研究對(duì)象，展開動(dòng)靜干涉作用下的氣膜出流和冷卻非定常數(shù)值模擬，比較分析動(dòng)葉不同位置流動(dòng)和冷卻特性的差異，揭示尾跡和勢(shì)干涉對(duì)動(dòng)葉氣膜冷卻的作用機(jī)理.

1 計(jì)算模型和數(shù)值方法

1.1 計(jì)算模型和網(wǎng)格劃分

計(jì)算選取一個(gè)靜葉和兩個(gè)動(dòng)葉組成的彎曲葉柵構(gòu)成的渦輪機(jī)，靜葉一周30個(gè)，靜葉和動(dòng)葉個(gè)數(shù)之比為1 ∶2.計(jì)算模型如圖1所示，每個(gè)動(dòng)葉前緣布置3排氣膜孔，每排氣膜孔的個(gè)數(shù)為32個(gè).

圖1 計(jì)算模型

圖2為氣膜孔的分布示意圖，從吸力面向壓力面布置3排氣膜孔.氣膜孔1、氣膜孔2和氣膜孔3分別位于軸向弦長(zhǎng)5.87%、2.00%和0.02%的位置.氣膜孔直徑d=0.6 mm，氣膜孔節(jié)距l(xiāng)=3d=1.8 mm，孔長(zhǎng)L=2d=1.2 mm，靜葉軸向弦長(zhǎng)40.02 mm，動(dòng)葉軸向弦長(zhǎng)37.01 mm，導(dǎo)葉尾緣距離動(dòng)葉前緣21.2 mm，葉片高度59.4 mm，葉尖間隙p=1 mm，射流進(jìn)氣角θ=90°，s表示弧長(zhǎng).

圖2 氣膜孔分布

圖3為網(wǎng)格結(jié)構(gòu)示意圖，計(jì)算模型采用混合網(wǎng)格劃分，靜葉采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，經(jīng)過獨(dú)立性驗(yàn)證，靜葉網(wǎng)格數(shù)量為302萬個(gè)，動(dòng)葉采取非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，對(duì)動(dòng)葉邊界層、氣膜孔入口及冷氣通道網(wǎng)格進(jìn)行加密處，經(jīng)過獨(dú)立性驗(yàn)證，最終動(dòng)葉網(wǎng)格數(shù)量為1 208萬個(gè).

圖3 網(wǎng)格結(jié)構(gòu)示意圖

圖4為計(jì)算時(shí)選取的監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置以及所在葉高截面，在三維流場(chǎng)中分別選取23%、50%和77%葉高截面建立3個(gè)觀察點(diǎn)，3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)都位于氣膜孔中心截面，觀察點(diǎn)位置處于冷卻孔下游s/d=10的位置.由于周期性的緣故文中只選取一個(gè)動(dòng)葉片的結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析.

圖4 截面曲線和監(jiān)測(cè)點(diǎn)

1.2 數(shù)值方法與邊界條件

采用商業(yè)軟件CFX對(duì)葉柵通道模型進(jìn)行數(shù)值模擬，湍流模型選取k-wSST[16-19]，殘差收斂標(biāo)準(zhǔn)為10-6,以動(dòng)葉掃過一個(gè)靜葉柵距的時(shí)間為靜子周期，在每個(gè)周期內(nèi)設(shè)置20個(gè)時(shí)間步，取每個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)t=7.14×10-6s,共計(jì)算6個(gè)周期(下文中非特殊說明，“周期”均指靜子周期).

給定主流和射流的入口流量和溫度，并給定動(dòng)葉出口壓力以及轉(zhuǎn)速，動(dòng)葉和靜葉的交接面采用interface連接，通道前后設(shè)置為旋轉(zhuǎn)周期，并對(duì)葉頂設(shè)置反轉(zhuǎn).先對(duì)葉片進(jìn)行定常計(jì)算，待監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)值趨于穩(wěn)定后，將定常計(jì)算的結(jié)果作為初始值進(jìn)行非定常計(jì)算，進(jìn)出口邊界條件如下：主流流量mi為1.693 kg·s-1；射流流量mc為0.003 999 kg·s-1； 主流總溫Ti*為1 760 K；射流總溫Tc*為780 K；動(dòng)葉出口壓力Pout為629 500 Pa，動(dòng)葉轉(zhuǎn)速為14 000 r·min-1.

圖5為監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫比和壓比隨時(shí)間變化曲線，比較發(fā)現(xiàn)在第3個(gè)計(jì)算周期后結(jié)果開始規(guī)律性變化，因此文中選取后3個(gè)周期的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)處理.隨著葉高的增加，溫比和壓比都逐漸增大，P2點(diǎn)對(duì)應(yīng)的溫比均值比P1點(diǎn)高0.050，P3點(diǎn)的溫比均值比P2點(diǎn)高0.060；P2點(diǎn)對(duì)應(yīng)的壓比均值比P1點(diǎn)大0.038，P3點(diǎn)的壓比均值比P2點(diǎn)大0.064.這是由于葉高的增加使得離心力和哥氏力增加，加劇了壓力和溫度的波動(dòng).

圖5 監(jiān)測(cè)點(diǎn)參數(shù)隨時(shí)間步長(zhǎng)變化

2 計(jì)算結(jié)果與分析

冷卻效率定義為

圖6為不同葉高截面處非定常定常計(jì)算壁面冷卻效率分布圖.在23%葉高截面，定常計(jì)算和非定常計(jì)算冷卻效率相差不大；在50%葉高截面，定常計(jì)算的冷卻效率大于非定常計(jì)算；在77%葉高截面，吸力面冷卻效率定常計(jì)算低于非定常計(jì)算，而壓力面冷卻效率兩者的到的結(jié)果差相差較小.整體而言，非定常計(jì)算的時(shí)均冷卻效率低于定常計(jì)算，驗(yàn)證了動(dòng)靜干涉對(duì)氣膜冷卻性能的抑制效果，與文獻(xiàn)[20-21]中得到的結(jié)論一致.

圖6 不同葉高截面的冷卻效率分布

圖7 動(dòng)葉前緣流線分布

圖8 不同葉高截面冷氣孔出口流線分布

圖9 不同葉高截面渦量分布

圖10為動(dòng)葉吸力面和壓力面流線和溫度分布圖，由于受到通道渦的影響，在吸力面流線向中心收斂，在壓力面流線向兩邊發(fā)散，且在吸力面射流與壁面的貼壁性較差；在流過一定區(qū)域后射流和主流的摻混流體向上抬升，在吸力面下游出現(xiàn)高溫區(qū)域，導(dǎo)致了局部冷卻效率的降低.在葉尖附近，由于動(dòng)葉吸力面和壓力面壓差的存在，流體從壓力面流到吸力面，且在50%葉高處區(qū)域出現(xiàn)流動(dòng)的偏離，冷氣流量的增加導(dǎo)致靠近葉尖區(qū)域局部溫度降低，冷卻效率提高，但在50%葉高處由于流動(dòng)發(fā)生偏離，下游區(qū)域得不到有效冷卻，出現(xiàn)較大范圍的高溫區(qū)域.葉尖間隙的存在雖然增加了局部冷卻效率，但葉尖泄漏使得壁面冷氣覆蓋量較少，整體冷卻效率降低.

圖10 吸力面和壓力面流線和溫度分布圖

3 結(jié) 論

1) 葉根位置氣膜射流受動(dòng)靜干涉影響較?。辉谌~高中截面，動(dòng)靜干涉降低了氣膜冷卻效率；在葉尖區(qū)域，動(dòng)靜干涉主要影響吸力側(cè)的氣膜覆蓋，對(duì)壓力側(cè)氣膜射流影響不明顯.整體而言，動(dòng)靜干涉對(duì)氣膜冷卻具有“破壞”作用.

2) 隨著葉高的增加，前緣滯止線從吸力面逐漸向壓力面?zhèn)绕?在本研究模型中，當(dāng)尾跡到達(dá)氣膜孔出口前，受主流的壓制作用，壁面具有較好的氣膜覆蓋；尾跡達(dá)到氣膜孔出口時(shí)，會(huì)氣膜射流出現(xiàn)“分流”、“上揚(yáng)”和“逆流”現(xiàn)象，氣膜冷卻效率下降；當(dāng)尾跡離開氣膜孔時(shí)，射流和主流的熱交換量較少，導(dǎo)致冷卻效率快速提升.

3) 受通道渦及葉尖泄露渦影響，吸力面?zhèn)攘骶€向中間葉高位置收斂，壓力面流線向葉尖和葉根位置發(fā)散；氣膜射流下游反轉(zhuǎn)渦對(duì)也呈現(xiàn)明顯不對(duì)稱性，吸力面?zhèn)确崔D(zhuǎn)渦對(duì)強(qiáng)度和尺度沿葉高方向不斷降低，而壓力面?zhèn)确崔D(zhuǎn)渦對(duì)的變化趨勢(shì)相反.