葉片前緣氣膜冷卻離散孔下游流動(dòng)特性的試驗(yàn)研究

李少華, 曲宏偉, 張 玲, 李知駿

(東北電力大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院,吉林132012)

葉柵流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的研究結(jié)果為理解冷氣射流與高溫燃?xì)庵髁鲹交鞕C(jī)理[1]以及分析如何提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)推重比奠定了良好的基礎(chǔ).

隨著航空燃?xì)廨啓C(jī)推重比的逐漸增大,航空渦輪前燃?xì)鉁囟纫仓饾u提高.高溫高壓的主流燃?xì)馀c溫度相對(duì)較低的射流摻混,摻混流體對(duì)渦輪氣動(dòng)性能造成的影響也逐步成為渦輪設(shè)計(jì)時(shí)不可回避的問(wèn)題.從20世紀(jì)90年代開(kāi)始,關(guān)于摻混流體對(duì)渦輪流場(chǎng)影響的研究得到了航空動(dòng)力研究者的普遍重視.透平葉片冷卻技術(shù)是發(fā)展燃?xì)廨啓C(jī)的關(guān)鍵技術(shù)之一,是燃?xì)獬鯗靥岣叩母颈ＷC.氣膜冷卻技術(shù)作為保護(hù)燃?xì)廨啓C(jī)葉片免受高溫腐蝕的有效手段之一,國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了大量研究.在試驗(yàn)方面:Luckey等[2]在普渡大學(xué)完成了有關(guān)葉片前緣氣膜冷卻的一些早期工作;Yavuzkurt[3]早在1981年對(duì)離散孔氣膜冷卻流場(chǎng)進(jìn)行了比較詳細(xì)的試驗(yàn)研究;廖國(guó)期等[4]對(duì)離散孔下游邊界層進(jìn)行了試驗(yàn)研究,得出了吹風(fēng)比和上游孔排數(shù)是影響氣膜冷卻邊界層參數(shù)分布的重要因素的結(jié)論;喬渭陽(yáng)等[5]對(duì)氣膜孔噴氣對(duì)渦輪氣動(dòng)性能造成的影響進(jìn)行了試驗(yàn)研究,認(rèn)為在葉片表面不同位置的氣膜孔噴氣對(duì)渦輪葉柵流動(dòng)損失和流動(dòng)結(jié)構(gòu)造成的影響不同.在數(shù)值模擬方面:郭婷婷等[6]對(duì)不同形狀氣膜孔對(duì)氣膜冷卻效果的影響進(jìn)行了研究;蔣雪輝等[7]對(duì)非定常尾跡對(duì)氣膜冷卻的影響進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)葉片尾跡會(huì)使冷卻氣流的流向發(fā)生很大的改變.

隨著計(jì)算流體力學(xué)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,人們?cè)跉饽だ鋮s數(shù)值模擬方面進(jìn)行了大量研究,但是數(shù)值模擬計(jì)算必須以試驗(yàn)研究為基礎(chǔ).在前人研究成果的基礎(chǔ)上,筆者自行設(shè)計(jì)了試驗(yàn)臺(tái),對(duì)氣膜冷卻流場(chǎng)進(jìn)行了測(cè)量,目的是比較不同吹風(fēng)比下壓力面和吸力面氣膜孔下游處沿周向方向二維速度u、v的變化,并找出u、v的變化對(duì)葉片下游混合流體貼壁性的影響.

1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)測(cè)量是在東北電力大學(xué)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室內(nèi)完成的.主流系統(tǒng)為吸入式風(fēng)洞,風(fēng)洞主氣流經(jīng)過(guò)蜂窩器和阻尼網(wǎng)段,對(duì)氣流進(jìn)行整流以減小入口氣流的湍流度,從而得到較平穩(wěn)的層流氣流.收縮段曲面型面按照維托辛斯基軸對(duì)稱計(jì)算公式設(shè)計(jì)加工,這樣一方面可以減小由于試驗(yàn)段收縮所產(chǎn)生的壓力損失,另一方面有助于把壓力能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能.試驗(yàn)使用美國(guó)TSI公司的Model IFA 300型熱膜風(fēng)速儀,使用X型探針測(cè)量流體二維速度.主流氣源利用Sanken MF-7.5K-380全數(shù)字變頻調(diào)速器(變頻范圍為0.00～50.00 Hz)調(diào)節(jié)離心式風(fēng)機(jī),以實(shí)現(xiàn)對(duì)試驗(yàn)所需風(fēng)速的控制.本試驗(yàn)設(shè)置風(fēng)速為10 m/s,流速用皮托管在發(fā)展段末端測(cè)量,該點(diǎn)氣流可以認(rèn)為是二維流動(dòng)的.射流氣源由空氣壓縮機(jī)提供,通過(guò)調(diào)節(jié)空氣壓縮機(jī)出口處的減壓閥和流量計(jì)控制閥來(lái)控制射流氣體流量.圖1為試驗(yàn)裝置示意圖.

圖1 靜葉柵風(fēng)洞試驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Ex perimental setup of wind tunnel test for static cascade

2 試驗(yàn)工況

為了適應(yīng)葉柵通道的形狀,大試驗(yàn)段加工成S型,材質(zhì)選用10 mm厚的有機(jī)玻璃,以便于觀測(cè).大試驗(yàn)段內(nèi)口矩形截面尺寸為450 mm×350 mm.以美國(guó)航空航天局Lewis研究中心公布的MARKⅡ葉柵數(shù)據(jù)為研究葉片,葉型的詳細(xì)幾何參數(shù)參見(jiàn)文獻(xiàn)[8].由于實(shí)際葉片尺寸太小,在現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)室條件下進(jìn)行測(cè)量十分困難,故采用了放大模型,根據(jù)相似理論將實(shí)際葉片放大2倍.試驗(yàn)葉片用有機(jī)玻璃制成,加工成中空形狀.在葉片的壓力面、吸力面和前緣各加工有一排氣膜孔.考慮到排氣膜孔間周期性原則,故選取滯止線處6個(gè)氣膜孔,壓力面和吸力面處各7個(gè)氣膜孔進(jìn)行研究.試驗(yàn)孔排間氣膜孔實(shí)行叉排布置方式.各排間孔的相對(duì)位置及葉片參數(shù)見(jiàn)表1.葉片與氣膜孔的實(shí)物示意圖見(jiàn)圖2.

選取前緣滯止點(diǎn)上中間射流孔中心為坐標(biāo)原點(diǎn),選取z/d=0為測(cè)量面(z/d表示葉片展向方向的間距與孔徑之比).沿流向(x軸方向)取x/d=4、8、15和25四個(gè)測(cè)量面(x/d表示流線方向的間距與孔徑之比),在這四個(gè)測(cè)量面上分別以葉片表面為起點(diǎn),沿y軸取若干測(cè)點(diǎn)(y/d表示葉片周向方向的間距與孔徑之比).考慮到葉片的曲率較大,對(duì)從前到后測(cè)點(diǎn)移動(dòng)方向與葉片型面夾角的影響較小,在本試驗(yàn)中可以忽略不計(jì).速度u表示沿x方向的速度分布,v表示沿y方向的速度分布.本試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)圖像處理時(shí)的縱坐標(biāo)y′/d表示沿y軸方向測(cè)點(diǎn)到葉片表面的距離與孔徑之比.葉片測(cè)量位置示意圖見(jiàn)圖3.

表1 葉片和氣膜孔幾何參數(shù)Tab.1 Geometry of cascade and f ilm cooling hole

圖2 試驗(yàn)件輪廓圖Fig.2 Photo of the test piece

3 熱膜風(fēng)速儀的測(cè)量方法及原理

圖3 葉片測(cè)量位置示意圖Fig.3 Schematic diagram of the blade and the measuring location

圖4 探針相對(duì)位置示意圖Fig.4 Relative p osition of the sensor

當(dāng)2個(gè)敏感元件分別處于u1、u2平面且相互成90°時(shí),對(duì)每一個(gè)敏感元件都可以根據(jù)Jorgensen方程得到單位長(zhǎng)度的熱損耗ueff:

式中:α1為u1與敏感元件B之間的夾角;k為考慮到沿射線方向熱轉(zhuǎn)換而引入的偏航因子.

選取敏感元件足夠長(zhǎng),則k→0,選取坐標(biāo)系使得u3=0,調(diào)整使 α1=45°,整理得:

即把兩個(gè)恒溫式流速計(jì)的線性輸出電壓相加就可得u1,而相減就可得u2,探針的詳細(xì)使用說(shuō)明參見(jiàn)文獻(xiàn)[9].

4 結(jié)果與分析

4.1 壓力面速度分析

圖5給出了吹風(fēng)比M=0.5和M=1.5時(shí)葉片壓力面各位置處速度u的周向分布.

圖5 葉片壓力面速度u沿流向不同位置周向分布Fig.5 Circumferential distribution of velocity u on pressure surface

由圖中葉片壓力面一側(cè)速度u的分布可以看出,兩種吹風(fēng)比下x/d方向速度沿程分布的變化趨勢(shì)基本一致,都是沿著y/d增大方向逐漸增大,速度值達(dá)到最大后再逐漸穩(wěn)定到主流速度并保持此值,這是因?yàn)橹髁魇艿缴淞鲹交鞌_動(dòng)后發(fā)生彎曲,在彎曲的位置產(chǎn)生一定的切向速度所致.在相同吹風(fēng)比下,隨著x/d的增大(即沿著葉片流線方向),速度u達(dá)到穩(wěn)定值的位置上提,這是由于彎曲流動(dòng)中葉片流線方向曲率梯度減小了主流壓力,主流和射流的混合流體沿流線方向逐漸減弱而形成的,這個(gè)結(jié)論與Schwarz等[10]闡述的理論一致.在x/d=8和x/d=15處,近葉片表面區(qū)域出現(xiàn)了明顯的回流現(xiàn)象,這是因?yàn)榇藘晌恢锰幱趬毫γ媪骶€的曲率較大處,射流與主流摻混流體借助大的葉片曲率型面產(chǎn)生卷吸運(yùn)動(dòng)而形成的.

圖6給出了M=0.5和M=1.5時(shí)葉片壓力面各位置處速度v的周向分布.

圖6 葉片壓力面速度v沿流向不同位置周向分布Fig.6 Circumferential distribution of velocity v on pressure surface

由壓力面一側(cè)速度v的周向分布可以看出,射流垂直于葉片切線平面方向入射.葉片前緣主射流摻混較強(qiáng)的區(qū)域內(nèi),在位置x/d=4處的v值變化較大.M=1.5時(shí),在x/d=4處的v出現(xiàn)了很明顯的波動(dòng).隨著沿孔下游距離的增加(x/d=8和x/d=15),射流與主流得到充分摻混,主流受葉片型面流線的影響較大,速度v的變化也較大并表現(xiàn)出不規(guī)則性.x/d=25的尾緣處邊界層分離,使得速度v整體上趨于負(fù)值,并且離壁面越遠(yuǎn)負(fù)值越大,證明流動(dòng)已進(jìn)入尾渦區(qū).

4.2 吸力面速度分析

圖7給出了M=0.5和M=1.5時(shí)葉片吸力面在不同位置處速度u的周向分布.

由于吸力面葉片型面弧線曲率梯度小于壓力面,所以吸力面的速度u梯度明顯大于壓力面,吸力面的貼壁性好于壓力面.從x/d=4至x/d=15區(qū)間內(nèi),近壁處的速度最大值呈上升趨勢(shì),說(shuō)明此區(qū)間為加速段.在x/d=25位置處,速度最大值減小到與初始位置x/d=4處的值相近,說(shuō)明氣流加速段處于x/d=15至x/d=25區(qū)間內(nèi),混合流體在加速段脫離壁面后產(chǎn)生回流又被主流壓回到葉片表面,此時(shí)有很好的貼壁性.M=0.5和M=1.5的圖像很相似,只是在M=1.5、x/d=4時(shí),u的曲線在y/d=3至y/d=9的區(qū)間有回流現(xiàn)象,這是由于在大的射流比下主射流摻混在葉片前緣產(chǎn)生二次流所致. 圖8給出了M=0.5和M=1.5時(shí)葉片吸力面在不同位置處速度v的周向分布.

圖7 葉片吸力面速度u沿流向不同位置周向分布Fig.7 Circumferential distribution of velocity u on suction surface

在靠近吸力面前緣x/d=4和8位置處葉片的曲率較大,射流與主流摻混后先是脫離壁面后又被壓回到壁面.在x/d=15和25位置,近壁處速度值出現(xiàn)負(fù)值,說(shuō)明此位置流體處于葉片的近尾緣區(qū)域,混合流體受到壁面的影響較大,出現(xiàn)了明顯的二次流,尤其是在x/d=25位置處更明顯.從圖中可以看出M=0.5和M=1.5的圖像很相似,氣流有很好的貼壁性,這是因?yàn)槲γ鏆饬骷铀俣屋^長(zhǎng)、葉片曲率相對(duì)于壓力面較小這一共同原因所形成的.

5 結(jié) 論

(1)熱膜風(fēng)速儀作為一種可靠的測(cè)量速度的手段,可以準(zhǔn)確獲得流體流向和周向速度信息,為在微觀上研究流體的摻混情況以及貼壁性提供了很好的技術(shù)支撐.

(2)在試驗(yàn)葉片的壓力面和吸力面上,當(dāng)射流比增大時(shí),射流與主流摻混流體的作用中心上移,貼壁性相對(duì)小射流比時(shí)差.

圖8 葉片吸力面速度v沿流向不同位置周向分布Fig.8 Circumferential distribution of velocity v on suction surface

(3)吸力面速度u梯度明顯增加,貼壁性相對(duì)來(lái)說(shuō)好于壓力面.在大射流比下,葉片前緣主射流摻混產(chǎn)生二次流,使得在y/d的某區(qū)間內(nèi)有回流現(xiàn)象出現(xiàn).吸力面氣流加速段較長(zhǎng),同時(shí)葉片曲率相對(duì)于壓力面小,氣流有很好的貼壁性,吹風(fēng)比對(duì)速度v的影響較小.

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