濕空氣含濕量對燃氣輪機透平葉片復(fù)合冷卻性能影響的實驗與數(shù)值研究

摘要：為了探究以濕空氣作為冷卻介質(zhì)時透平葉片冷卻的復(fù)合冷卻性能，結(jié)合實驗和數(shù)值方法探究了濕空氣含濕量對透平葉片濕空氣冷卻性能的影響。以GE-E3葉型為基礎(chǔ)，建立了帶有沖擊冷卻、U型帶肋通道冷卻、柱肋冷卻、尾緣劈縫以及氣膜冷卻結(jié)構(gòu)的復(fù)合冷卻透平葉片。測量了不同冷氣與主流質(zhì)量流量比條件下，采用不同濕空氣含濕量的濕空氣作為冷卻工質(zhì)時50%葉高處葉片表面溫度分布。實驗結(jié)果表明，在不同的主流溫度下，增加濕空氣含濕量均能降低葉片表面溫度。在主流進口溫度分別為473、873K條件下，采用含濕量分別為163.0、173.8g/kg的濕空氣作為冷卻工質(zhì)時，相較于17g/kg的濕空氣冷卻工況，葉片表面冷卻效率分別提高了9%～11%和7%～9%，葉片表面溫度分別降低了4.1～5.2K和19.0～21.3K。數(shù)值研究結(jié)果表明：帶γ-θ轉(zhuǎn)捩模型的SST k-ω模型能夠更為準(zhǔn)確地預(yù)測濕空氣冷卻時的葉片表面的溫度分布；濕空氣含濕量的增加能夠整體提高葉片表面冷卻效率，葉片表面冷卻效率的變化在氣膜覆蓋區(qū)域更為顯著。

關(guān)鍵詞：透平葉片；濕空氣冷卻；含濕量；復(fù)合冷卻

中圖分類號：TK474.7"文獻標(biāo)志碼：A

DOI：10.7652/xjtuxb202410012"文章編號：0253-987X（2024）10-0133-12

Influence of Humidity Ratio of Humid Air on Composite Cooling

Performance of Gas Turbine Blades-Experimental

and Numerical Approaches

LI Jianwu1， WU Xin2，XIE Changya2， PANG Chunfeng2， LIU Shuangbai2， LI Liang1

（1. School of Energy and Power Engineering， Xi’an Jiaotong University， Xi’an 710049， China;

2. North China Electric Power Research Institute Co.， Ltd.， Beijing 100045， China）

Abstract：To explore the composite cooling performance of turbine blades using humid air as the cooling medium， the influence of humidity ratio of humid air on composite cooling performance of gas turbine blades is investigated through combined use of experimental and numerical approaches. Based on the GE-E3 blade profile， a blade with impingement cooling， U-shaped ribbed channels， pin fin structure， trailing edge slot and film cooling is established. The blade surface temperature at different positions at 50% blade height of the blade is measured under different mass flow ratios of coolant to mainstream using humid air with varying humidity ratio levels. The experimental results show that increasing the humid ratio consistently can reduce the blade surface temperature across different mainstream temperatures. Specifically， when the mainstream temperatures were 473K and 873K and humid air with a humid ratio of 163.0 and 173.8g/kg was used as the coolant， the cooling efficiency of the blade surface increased by 9%—11% and 7%—9% respectively and the blade surface temperature decreased by around 4.1—5.2K and 19.0—21.3K compared to the condition with a humid ratio of 17g/kg. Numerical results show that the SST k-ω model with the γ-θ transition model can accurately predict the temperature distribution on the blade surface for humid air cooling， increasing the humid ratio can improve overall cooling efficiency， and the change of cooling efficiency was especially significant in the film-cooling coverage area.

Keywords：turbine blades; humid air cooling; humidity ratio; composite cooling

燃氣輪機作為一種重要的動力裝置，已被廣泛應(yīng)用于航空航天、電力、船舶等工業(yè)領(lǐng)域。隨著燃氣輪機朝著高效率、低排放、低成本和高靈活性等方向的發(fā)展，學(xué)者們不斷提出和研發(fā)各種基于燃氣輪機的新型動力循環(huán)，濕化燃氣輪機循環(huán)HTA被認為是其中最具代表性的一種［1］。研究濕化燃氣輪機的性能涉及到壓氣機進口空氣的高效冷卻、濕壓縮、空氣濕化、濕空氣回?zé)帷袢紵榷鄠€方面［2］，其中濕空氣透平冷卻性能的預(yù)測研究是一個重要方面［3］。相對于干空氣，濕空氣具有更大的比熱容和導(dǎo)熱率，更低的密度和黏性系數(shù)，從而表現(xiàn)出更優(yōu)異的氣動和傳熱性能［4］，這對減少冷卻空氣使用量和提高濕化燃氣輪機的整機效率具有重要意義。研究濕空氣透平葉片冷卻性能的變化規(guī)律，分析濕空氣物性的變化以及空氣與水蒸氣兩種介質(zhì)在流動和傳熱過程中的相互作用，從而建立起濕空氣透平冷卻性能的分析、預(yù)測和評估方法，這對掌握濕化燃氣輪機全工況下透平冷卻性能，保證濕化燃氣輪機高溫透平葉片的運行安全具有重要意義。

目前，許多專家學(xué)者對燃氣輪機葉片單一冷卻方式進行了大量研究［5-6］。部分專家學(xué)者將單一的內(nèi)部冷卻方式與氣膜冷卻相結(jié)合的復(fù)合冷卻進行了研究［7-8］。部分學(xué)者將內(nèi)部冷卻通道簡化為圓形徑向冷卻孔，對葉片內(nèi)外表面換熱進行了研究［9-12］。賴佑奎等［13］采用磁共振測速（MVR）技術(shù)測量了一種復(fù)合冷卻渦輪葉片的三維流場，并重點研究了葉片尾緣的流動特征；朱興丹等［14］采用三維流固耦合換熱計算研究了旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下渦輪葉片冷卻結(jié)構(gòu)復(fù)合冷卻性能，并討論了輻射換熱和轉(zhuǎn)速對綜合冷卻效果的影響。但目前針對整個葉片的復(fù)合冷卻方式的研究，尤其是實驗研究還比較少，而隨著燃氣輪機的發(fā)展，燃氣輪機透平葉片冷卻系統(tǒng)朝著更高效、更復(fù)雜的方向發(fā)展，因此探究不同冷卻方式的綜合冷卻性能是一個重要的課題。

對于不同冷卻工質(zhì)的冷卻研究，Jiang等［15-17］向空氣中噴入氣霧，對帶肋通道內(nèi)的流動和換熱進行了研究。Jordal等［18］比較了干空氣、濕空氣和蒸汽作為冷卻工質(zhì)對燃氣輪機性能的影響，研究表明用濕潤空氣冷卻能提高燃氣輪機熱效率。Facchini等［19］比較了空氣和蒸汽冷卻中燃氣輪機的冷卻性能，結(jié)果表明，采用一種蒸汽和空氣混合冷卻結(jié)構(gòu)能使得葉片冷卻更加均勻。Dhanasekaran等［20］以液滴/蒸汽作為工質(zhì)對高溫、高壓工況下的燃氣輪機葉片進行了研究，結(jié)果表明，向冷卻工質(zhì)中注入5%的霧氣，平均可實現(xiàn)100%的冷卻效率。Abdelmaksound等［21］研究了3D透平葉片的空氣/水霧冷卻耦合傳熱情況，研究結(jié)果顯示，葉片表面氣霧兩相流冷卻性能提高10%～25%，在內(nèi)部冷卻通道中的局部區(qū)域這一數(shù)值可達到50%。馬超等［22］以實驗對比了蒸汽和空氣兩種工質(zhì)冷卻條件下葉片表面溫度，實驗結(jié)果表明，蒸汽蒸汽相對于空氣冷卻可以使平均葉片冷卻效率提升10%以上。符陽春等［23］采用熱流耦合的數(shù)值方法對帶有徑向冷卻孔的C3X葉片進行了計算，對比分析了干空氣與濕空氣冷卻效果的差異，在主流主流進口溫度為1473K的條件下，濕空氣含濕量從0增加到200g/kg時，葉片冷卻效率提高8%，葉片表面平均溫度下降約20K。李健武等［24］通過數(shù)值模擬方法，使用濕空氣作為冷卻工質(zhì)，對進口雷諾數(shù)和濕空氣含濕量對沖擊冷卻流動和傳熱特性的影響進行分析，發(fā)現(xiàn)沖擊冷卻換熱靶面Nu數(shù)隨著含濕量的增大而增大，并擬合出濕空氣沖擊冷卻的傳熱關(guān)聯(lián)式。朱華等［25-26］對濕空氣平板氣膜冷卻進行了研究，研究表明，當(dāng)吹風(fēng)比較低時，靶面氣膜冷卻效率隨著含濕量的增大而提高，當(dāng)吹風(fēng)比高于1.0時，靶面平均氣膜冷卻效率隨著含濕量的增大而降低。

使用濕空氣作為濕化燃氣輪機透平葉片冷卻系統(tǒng)的冷卻工質(zhì)，可以有效提高冷卻效率，然而目前國內(nèi)外對于濕化燃氣輪機濕空氣透平葉片復(fù)合冷卻的研究還比較少，因此研究濕化燃氣輪機葉片復(fù)合冷卻性能具有重要意義。本文通過實驗與數(shù)值模擬的方法，分別研究了含有前緣沖擊冷卻、中弦區(qū)U型帶肋通道冷卻、氣膜冷卻以及尾緣柱列冷卻等經(jīng)典冷卻結(jié)構(gòu)的渦輪葉片，分析了不同含濕量的濕空氣冷卻下葉片表面溫度的分布情況。

1"濕空氣透平葉片冷卻系統(tǒng)實驗研究

1.1"透平葉片實驗件

濕空氣透平葉片冷卻實驗段主要由主流通道、透平葉片以及透平葉片內(nèi)部的冷卻通道組成。葉片葉型以GE-E3發(fā)動機第一級動葉中間截面葉型的型線為參考，并根據(jù)Timko［27］的葉片冷卻實驗前緣沖擊冷卻、中弦區(qū)U型帶肋通道冷卻、尾緣柱肋冷卻、尾緣劈縫以及氣膜冷卻結(jié)構(gòu)的復(fù)合冷卻葉片。

圖1給出了濕空氣透平葉片冷卻實驗段與實驗葉片的示意圖，主流通道為截面45mm×45mm的方形通道，實驗葉片通過開設(shè)于主流通道上下壁面且與葉片型線一致的開口插入實驗段，置于通道中心。主流氣體經(jīng)過主流進口進入主流通道，經(jīng)過與透平葉片表面換熱后從主流出口排出。圖1（b）給出了實驗葉片的參數(shù)，實驗葉片設(shè)計為直葉片，葉片高度為45mm，柵距為28.50mm，進出口氣流角分別為52.14°、23.10°。

圖2給出了實驗葉片內(nèi)部的冷卻結(jié)構(gòu)。如圖2（a）所示，冷卻氣流從葉片中弦區(qū)進入葉片后，一部分氣流經(jīng)位于葉片前緣側(cè)的U型冷卻通道后，通過10個沿葉高方向等距布置的沖擊孔沖擊至葉片前緣內(nèi)壁面，最后從位于前緣處的氣膜孔流出，沖擊孔的直徑為1.5mm。葉片前緣處的氣膜孔參考常見的Showerhead布置方式，如圖2（b）所示。葉片采用3D打印加工，前緣處氣膜孔直徑設(shè)計為0.9mm，其中一排沿滯止線布置，另外兩排氣膜孔與Showerhead氣膜孔布置方式相比，更加遠離前緣滯止線。為了方便表述，將前緣3排氣膜孔分別命名為L1、L2、L3排氣膜孔（L代表前緣），其中L1排氣膜孔數(shù)為11，沿葉高方向均勻布置；而其余兩排氣膜孔數(shù)均為21，沿葉高方向均勻布置。尾緣側(cè)U型通道吸力面和壓力面兩側(cè)各開設(shè)有一排氣膜孔，其中吸力面?zhèn)葰饽た酌麨镾排氣膜孔，而壓力面?zhèn)葰饽た酌麨镻排氣膜孔。兩排氣膜孔沿葉高平均分布，數(shù)目均為8，進入尾緣側(cè)U型通道的冷卻氣體，一部分冷卻工質(zhì)從氣膜孔流出，其余冷卻工質(zhì)經(jīng)過尾緣柱肋擾流通道，最后從尾緣劈縫流出進入主流。

為了測量葉片表面溫度，在葉片外表面50%葉高處沿燃氣流向共開設(shè)了7個寬0.45mm、深0.60mm的槽以布置熱電偶，熱電偶布置位置如圖2（b）所示，為了方便表述，根據(jù)7個熱電偶在吸力面與壓力面的位置分別編號為S1～S5、P1～P2，S代表吸力面?zhèn)?，P代表壓力面?zhèn)龋瑫r在冷卻氣流進口處布置熱電偶以測量冷氣進口溫度。

為了準(zhǔn)確測量葉片表面的溫度分布，首先將7個線徑為0.1mm的K型熱電偶頭部放入實驗葉片表面開設(shè)的7個槽中，并用直徑0.5mm的316L不銹鋼絲壓緊，使熱電偶頭部的金屬球與葉片材料緊密貼合。熱電偶線沿槽道從葉片頂部引出，并用雙組份耐高溫密封膠固定和填充槽道，以保持葉片表面的平整。

1.2"實驗測量方法

實驗系統(tǒng)由主風(fēng)機和輔風(fēng)機來提供穩(wěn)定氣流，主風(fēng)機和主加熱器為實驗提供高溫主流，輔風(fēng)機和輔加熱系統(tǒng)提供冷卻工質(zhì)。此外，實驗采用了蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生水蒸氣，蒸汽發(fā)生器提供過熱蒸汽與加熱后的空氣混合形成濕空氣，二者混合后又經(jīng)過一個加熱器以加熱至實驗所需溫度，通過調(diào)節(jié)干空氣與水蒸氣的流量比可獲得不同含濕量的濕空氣。實驗中溫度的測量采用了K型鎧裝熱電偶，所有的流量、壓力、溫度等實驗數(shù)據(jù)均連接至數(shù)據(jù)采集板，待各項參數(shù)穩(wěn)定后，記錄流量、壓力、溫度等數(shù)據(jù)。實驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、主加熱系統(tǒng)、蒸汽發(fā)生系統(tǒng)、實驗段與測試系統(tǒng)的詳細介紹參考文獻［25-26］。

1.3"實驗參數(shù)定義

冷氣與主流的質(zhì)量流量比ω定義為冷氣質(zhì)量流量與主流質(zhì)量流量的比，即

ω=GcGm=Gc，a+Gc，gGm（1）

式中：Gc為冷卻工質(zhì)的質(zhì)量流量；Gm為主流的質(zhì)量流量；Gc，a、Gc，g分別為冷氣中干空氣的質(zhì)量流量和水蒸氣的質(zhì)量流量。

定義主流進口雷諾數(shù)

Rem=ρmUm，inLμm=GmLμm（2）

式中：ρm為主流密度；Um，in為主流進口速度；L為進氣腔的寬度；μm為主流的動力黏度。

定義冷氣進口雷諾數(shù)

Rec=ρcUc，inDhμc=Gc，a+Gc，g（π/4）μcDh（3）

式中：ρc為冷氣的密度；Uc，in為冷氣的進口速度；Dh為實驗段冷氣進口處所連接進氣管道的直徑；μc為冷卻工質(zhì)的動力黏度。

濕空氣的含濕量d定義為每千克干空氣中所含水蒸氣的質(zhì)量，其表達式為

d=mgma（4）

式中：mg為冷卻工質(zhì)中水蒸氣的質(zhì)量，g；ma為冷卻工質(zhì)中干空氣的質(zhì)量，kg。

定義葉片表面冷卻效率

η=Tm－TTm－Tc（5）

式中：Tm為主流進口溫度；Tc為冷氣進口溫度；T為葉片表面溫度。

含濕量的增加使得葉片表面溫度逐漸降低，含濕量變化所引起冷卻效率的變化量Δηd為

Δηd=η－ηdηd×100%（6）

式中：ηd為自然空氣冷卻條件下葉片表面的冷卻效率。

1.4"實驗工況

透平葉片濕空氣復(fù)合冷卻實驗過程中，保持冷氣進口溫度為403K不變，分別調(diào)節(jié)主流進口溫度為473、873K。實驗測量了不同主流雷諾數(shù)Rem、不同冷氣與主流的質(zhì)量流量比ω條件下的濕空氣冷卻特性，每一組工況分別進行了含濕量從0增加到150g/kg條件下4個工況的實驗。但是，在實際實驗時，由于當(dāng)?shù)丨h(huán)境空氣中本身就含有一定的水蒸氣，含濕量并不為0，因此實驗過程中需要記錄當(dāng)前空氣的含濕量，再對實驗測量的含濕量進行修正，修正后的實驗工況參數(shù)如表1所示。

1.5"穩(wěn)定換熱條件與測試數(shù)據(jù)不確定度分析

在保證操作正確的前提下，由于測量儀的精度問題，實驗中不可避免地會產(chǎn)生測量誤差。按照誤差分析理論，當(dāng)變量V為若干個獨立變量a，b，…的函數(shù)即V=V（a，b，…）時，變量V的誤差可寫為

ev=aVVaea2+bVVbeb2+…1/2（7）

式中：ev為待確定變量V的誤差；ea、eb為各個獨立變量的測量誤差；V/a、V/b等為誤差傳遞系數(shù)。

根據(jù)式（1）可知，冷氣與主流的質(zhì)量流量比的測量誤差取決于冷氣流量與主流流量的測量誤差。根據(jù)式（7），可得質(zhì)量流量比的測量誤差

eω=（G2c，ae2c，a+G2c，ge2c，a+e2m）1/2Gc，a+Gc，g（8）

式中：ec，a、ec，g分別為冷氣通道干空氣流量計和水蒸氣流量計的測量誤差；em為主流干空氣流量計的測量誤差。根據(jù)流量計測量精度，干空氣流量計和水蒸氣流量計的最大測量誤差均小于0.006，為了方便計算，取ec，a=ec，g=em=0.006。經(jīng)過計算，質(zhì)量流量比的最大測量誤差小于1.03%。

根據(jù)式（2），可知主流進口雷諾數(shù)的測量誤差取決于主流空氣質(zhì)量流量的測量誤差。根據(jù)式（7）可得主流進口雷諾數(shù)的測量誤差

eRe，m=em（9）

主流雷諾數(shù)的最大測量誤差小于0.60%。根據(jù)式（3）可得冷氣進口雷諾數(shù)的測量誤差取決于冷氣質(zhì)量流量的測量誤差，根據(jù)式（7）可得冷氣進口雷諾數(shù)的測量誤差

eRe，c=G2c，ae2c，a+G2c，ge2c，g（Gc，a+Gc，g）21/2（10）

經(jīng)過計算，冷氣進口雷諾數(shù)的測量誤差小于0.6%。根據(jù)式（4）可知，含濕量的測量誤差取決于干空氣和水蒸氣流量的測量誤差。根據(jù)式（7）可得濕空氣含濕量d的測量誤差

ed=（e2c，a+e2c，g）1/2（11）

經(jīng)過計算，濕空氣含濕量的最大測量誤差小于0.85%。根據(jù)式（5）可知，冷卻效率的測量誤差來源于主流進口溫度、冷氣進口溫度和葉片表面溫度的測量誤差。根據(jù)式（7），可得冷卻效率的測量誤差

eη=eT·T2m（T－Tc）2+T2（Tm－Tc）2+T2c（Tm－T）2（Tm－T）2（Tm－Tc）212（12）

式中：eT為熱電偶溫度測量誤差，eTlt;0.01。由此可計算冷卻效率最大測量誤差小于2.67%。

1.6"實驗結(jié)果分析

為了直觀顯示各工況的實驗結(jié)果，圖3、圖4給出了不同主流溫度Tm、不同主流進口雷諾數(shù)Rem、不同冷氣與主流流量比條件下葉片表面測量溫度。在每種進口工況下，比較了4種濕空氣含濕量條件下的葉片表面溫度。圖中LE、TE分別表示葉片前緣和尾緣，SS、PS分別表示吸力面和壓力面，橫坐標(biāo)為葉片軸向相對位置。

各實驗工況下葉片表面溫度分布的規(guī)律具有相似性。位于葉片吸力面靠近前緣的熱電偶S1測得的溫度最高，這是因為葉片前緣直接受到高溫主流的沖刷，形成高換熱強度的滯止區(qū)域，從而形成葉片前緣的高溫區(qū)域。沿著葉片表面主流氣體的流向，即葉片表面相對位置從0至-0.75，葉片溫度先降低后升高。葉片表面溫度分布的這種特點與實驗葉片采用的冷卻方案相吻合，低溫冷氣先進入中弦區(qū)U型通道，經(jīng)過通道內(nèi)的對流換熱后冷氣溫度升高，再進入葉片前緣和尾緣參與沖擊冷卻與尾緣柱肋冷卻。這導(dǎo)致中弦區(qū)的葉片燃氣側(cè)和冷氣側(cè)溫差最高，使得葉片中弦區(qū)得到的冷卻效果最為顯著，因而可以觀察到位于葉片中弦區(qū)的熱電偶S2和P1溫度最低。而越靠近葉片尾緣區(qū)域，葉片表面溫度越高，這是因為葉片尾緣較薄，內(nèi)部冷卻通道狹窄，冷卻氣體流動阻力大，冷卻氣體的冷卻效果有限，因而葉片尾緣區(qū)域溫度較高。

對比圖3（a）、（b）、（c）及圖4（a）、（b）可以發(fā)現(xiàn)，葉片表面溫度均隨冷卻含濕量的增大而有所降低。在不同冷氣與主流質(zhì)量流量比下，濕空氣含濕量變化所引起的葉片表面溫度的變化規(guī)律大致相同。這是因為，濕空氣的比熱容和導(dǎo)熱率隨著濕空氣含濕量的增大而增大，在相同質(zhì)量流量的冷卻工質(zhì)條件下，更高的比熱容和導(dǎo)熱率能夠更快速地帶走更多的熱量，從而實現(xiàn)更好的冷卻效果。

對比圖3（b）、（d）和圖4（a）、（c） 可以發(fā)現(xiàn)，在相同的主流溫度和冷氣與主流質(zhì)量流量比條件下，增大主流進口雷諾數(shù)會使得葉片表面溫度升高。這是因為，增大主流雷諾數(shù)使得葉片燃氣側(cè)的流動湍動度增強，從而加強了主流與葉片間的對流換熱。對比圖3（a）、（b）、（c）可以發(fā)現(xiàn)，在相同的主流溫度和主流雷諾數(shù)條件下，增加冷氣與主流質(zhì)量流量比會降低葉片表面溫度。在主流雷諾數(shù)不變的條件下，增加冷氣與主流質(zhì)量流量比意味著增加了冷氣的質(zhì)量流量，從而增加了單位時間內(nèi)冷氣的吸熱量。因此，冷氣與主流質(zhì)量流量比越大，葉片表面溫度越低。

圖5展示了葉片表面冷卻效率變化量Δηd隨含濕量的分布情況。從圖5可以看出，葉片表面7個測點的冷卻效率變化量Δηd均為正值，且隨著含濕量的升高而增大。隨著含濕量的增加，7個熱電偶測點處的冷卻效率均有所增加，葉片表面溫度有所降低。當(dāng)主流進口溫度為473K，含濕量從17g/kg依次增至163.0g/kg時，葉片冷卻效率Δη提高了約9%～11%，而當(dāng)主流進口溫度為873K，含濕量從17g/kg依次增至173.8g/kg時，葉片冷卻效率Δη提高了約7%～9%。這是因為，在高溫條件下，不同含濕量的濕空氣物性差異更小，濕空氣冷卻性能逐漸減弱。

綜合對比圖3、圖4可以看出，雖然高溫下濕空氣含濕量對濕空氣冷卻性能的增強作用減弱，但由于高溫下主流與冷氣間的溫差更大，增加濕空氣含濕量使葉片表面溫度下降的幅值遠高于低溫條件下。在進口溫度分別為473、873K條件下，含濕量從17g/kg分別增至163.0g/kg和173.8g/kg時，葉片表面溫度分別降低了4.1～5.2K和19.0～21.3K。

2"濕空氣透平葉片復(fù)合冷卻特性的數(shù)值分析

2.1"幾何模型

由于實驗條件的限制，實驗僅測量了50%葉高處7個點的溫度，難以獲得整個葉片表面的溫度分布。為了分析冷氣含濕量對葉片表面溫度分布的影響，采用數(shù)值模擬的方法針對實驗工況進行了計算并進行補充分析，數(shù)值計算的幾何模型與實驗?zāi)Ｐ捅３忠恢?，并利用ANSYS ICEM軟件對主流通道、葉片固壁和內(nèi)部冷卻通道分別進行非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，如圖6所示。

2.2"邊界條件及求解設(shè)置

數(shù)值模擬的邊界條件與實驗條件保持一致，計算工況與表1保持一致。計算域中所有的流固交界面設(shè)置為熱流耦合壁面，主流通道壁面以及葉根葉頂壁面設(shè)置為絕熱壁面。主流設(shè)置為干空氣，冷卻工質(zhì)為干空氣和水蒸氣的混合物，通過改變水蒸氣的含量可得不同含濕量的濕空氣。濕空氣的物性通過基于各組分質(zhì)量分數(shù)的理想混合模型計算得到，詳細的流體參數(shù)設(shè)置參考文獻［25-26］。

2.3"網(wǎng)格無關(guān)性驗證

為了保證數(shù)值計算的準(zhǔn)確性，首先對所采用的計算網(wǎng)格進行了網(wǎng)格無關(guān)性分析。采用網(wǎng)格總數(shù)分別為1800、2415、2710和3150萬的4種網(wǎng)格，對主流進口溫度Tm，in為473K、主流進口雷諾數(shù)為43000、冷氣與主流質(zhì)量流量比為10%和冷卻氣體含濕量為84.3g/kg的工況分別進行了數(shù)值計算。圖7給出了葉片吸力面?zhèn)群蛪毫γ鎮(zhèn)鹊钠骄鶞囟入S網(wǎng)格數(shù)的變化曲線。由圖7可知：葉片吸力面?zhèn)绕骄鶞囟嚷愿哂趬毫γ鎮(zhèn)?，?dāng)網(wǎng)格數(shù)少于2710萬時，兩個面平均溫度均隨著網(wǎng)格數(shù)的增大而增大；當(dāng)網(wǎng)格數(shù)超過2710萬時，兩個面平均溫度幾乎不再隨網(wǎng)格數(shù)的變化而變化。因此，后續(xù)選用2710萬的網(wǎng)格進行計算。

2.4"湍流模型選擇

為了驗證數(shù)值方法的準(zhǔn)確性，針對主流進口溫度為473K、主流進口雷諾數(shù)為43000、冷氣與主流質(zhì)量流量比為10%、冷氣含濕量為84.3g/kg的實驗工況進行了驗證。該步驟選取了k-ε模型、k-ω模型、SST k-ω模型和帶γ-θ轉(zhuǎn)捩模型的SST k-ω模型4種兩方程湍流模型分別進行求解。

圖8給出了采用不同湍流模型計算得到的50%葉高處沿葉片軸向的葉片表面溫度分布曲線，其中橫坐標(biāo)為沿葉片弧長坐標(biāo)的相對位置，葉片前緣滯止點位于坐標(biāo)原點，壓力面為正，吸力面為負。

4種湍流模型都能預(yù)測葉片表面溫度變化的規(guī)律，但數(shù)值計算得到的葉片表面溫度均低于實驗值。由于4種湍流模型中帶γ-θ轉(zhuǎn)捩模型的SST k-ω模型對透平葉片濕空氣復(fù)合冷卻特性的預(yù)測結(jié)果最為準(zhǔn)確，因此后續(xù)計算中均采用帶γ-θ轉(zhuǎn)捩模型的SST k-ω湍流模型。

2.5"數(shù)值結(jié)果分析

采用帶γ-θ轉(zhuǎn)捩模型的SST k-ω模型，對不同主流溫度、不同含濕量冷卻空氣的工況進行數(shù)值驗證。圖9對各工況的數(shù)值計算結(jié)果和實驗結(jié)果進行了對比，可知帶γ-θ轉(zhuǎn)捩模型的SST k-ω模型能夠較為準(zhǔn)確地預(yù)測葉片表面的溫度分布。在葉片表面－0.2～－0.4相對位置處，數(shù)值計算結(jié)果與實驗結(jié)果差異較大，這是由于實驗只設(shè)計了單個葉片通道，數(shù)值方法采用周期性邊界條件保證了流動的周期性。實驗主流通道壁面增加了主流的流動阻力，降低了主流的速度，并在一定程度上改變了主流通道的壓力分布，延遲了葉片表面層流向湍流的過渡。

因而，壓力面上S2附近也變表面溫度的實驗測量值低于數(shù)值模擬，但總的來說，數(shù)值模擬能準(zhǔn)確得到葉片表面的溫度分布。當(dāng)主流溫度為473K時，數(shù)值計算結(jié)果與實驗結(jié)果吻合最好，最大誤差約為6K，相對誤差約為2%。而隨著主流溫度升高，數(shù)值計算結(jié)果與實驗結(jié)果的誤差逐漸增大，當(dāng)主流溫度分別為873K時，數(shù)值計算結(jié)果與實驗結(jié)果的最大誤差約26K，最大相對誤差為5.2%。

圖10、圖11分別給出了主流進口雷諾數(shù)Rem=43000、主流進口溫度Tm，in=473K（溫比φ=0.852）時，不同冷氣與主流流量比ω和不同含濕量d條件下葉片壓力面和吸力面冷卻效率的分布云圖。 為了方便觀察，葉片表面沿葉片型線展開。

由于冷卻氣體從葉片中弦區(qū)進入葉片內(nèi)部冷卻結(jié)構(gòu)，葉片中弦區(qū)出現(xiàn)高冷卻效率區(qū)域，而葉片前緣和尾緣區(qū)域的冷卻效率相對較低。特別地，葉片尾緣處吸力面與壓力面的底部和頂部均出現(xiàn)了局部低冷卻效率區(qū)域，由于葉片前緣有氣膜冷卻的保護，葉片前緣區(qū)域的冷卻效率高于葉片尾緣區(qū)域，尤其是在靠近葉根和葉頂?shù)膮^(qū)域。

在4種濕空氣含濕量條件下，增大冷氣與主流質(zhì)量流量比使得吸力面和壓力面冷卻效率均有所升高。局部高冷卻效率區(qū)域的面積顯著增大，尾緣低冷卻效率區(qū)域的面積逐漸減小，這一結(jié)論與實驗結(jié)果相同。相同冷氣與主流質(zhì)量流量比下，增加濕空氣含濕量也能降低葉片表面溫度，尤其是氣膜孔下游區(qū)域冷卻效率變化最為明顯：一方面使得葉片中弦區(qū)的局部高冷卻效率區(qū)域面積增大，另一方面使得尾緣的局部低冷卻效率區(qū)域的面積減小。由此可見，增大冷卻空氣含濕量不僅能增大葉片表面冷卻效率，而且能增大高冷卻效率區(qū)域面積。這是因為：隨著濕空氣含濕量的增大，濕空氣的比熱容和導(dǎo)熱率增大，從而帶走更多的熱量；隨著含濕量的增大，濕空氣的密度逐漸變小，在相同質(zhì)量流量的冷卻工質(zhì)條件下，冷氣的流速增大。在內(nèi)部冷卻通道內(nèi)，更高的速度能增強沖擊冷卻、柱肋冷卻效果。

3"結(jié)"論

本文通過實驗研究，得出了在不同主流進口雷諾數(shù)Rem，不同冷卻空氣與主流質(zhì)量流量比ω，不同含濕量條件下葉片表面溫度分布情況?；趯嶒炑芯拷Y(jié)果發(fā)現(xiàn)，帶γ-θ轉(zhuǎn)捩模型的SST k-ω模型對透平葉片濕空氣復(fù)合冷卻特性的預(yù)測結(jié)果更為準(zhǔn)確，并開展了相應(yīng)的數(shù)值模擬研究，使得濕空氣含濕量對透平葉片冷卻性能的影響更為詳實。通過實驗與數(shù)值研究得出以下結(jié)論。

（1）在473、873K的主流進口溫度下，實驗葉片表面的溫度分布規(guī)律相似。由于冷氣從葉片中弦區(qū)進入葉片，葉片中弦區(qū)溫度最低，而葉片前緣直接受到高溫主流的沖刷，形成高溫區(qū)域，葉片尾緣會出現(xiàn)局部高溫區(qū)域。

（2）隨著含濕量的增加，7個熱電偶測點處的冷卻效率均有所增大，葉片表面溫度有一定降低，含濕量變化對冷卻效率的影響在低主流溫度條件下更為顯著。當(dāng)主流進口溫度分別為473、873K時，使用含濕量分別為163.0、173.8g/kg的濕空氣作為冷卻工質(zhì)，與含濕量為17g/kg 的濕空氣冷卻工況相比，葉片表面的冷卻效率分別提高了 9%～11% 和 7%～9%。

（3）數(shù)值研究發(fā)現(xiàn)γ-θ轉(zhuǎn)捩模型的SST k-ω模型能夠準(zhǔn)確地預(yù)測葉片表面的溫度分布。主流溫度分別為473、873K時，數(shù)值計算結(jié)果與實驗結(jié)果的最大誤差約為6、26K，最大相對誤差分別為2%、5.2%。

（4）在相同冷氣和主流質(zhì)量流量比的情況下，增加濕空氣中的含濕量可以提高葉片表面冷卻效率，特別是在氣膜孔下游區(qū)域，冷卻效率的變化尤為顯著。

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（編輯"趙煒）