渦輪葉片帶肋U型通道水流模擬試驗研究

劉　波，王永紅，張　琳（中國燃氣渦輪研究院，成都610500）

渦輪葉片帶肋U型通道水流模擬試驗研究

劉波，王永紅，張琳
（中國燃氣渦輪研究院，成都610500）

摘要：針對航空發動機高壓渦輪葉片尖部帶肋U型通道、根部帶肋U型通道和有尾緣劈縫尖部帶肋U型通道放大模型，在保證幾何面積相似、冷氣流和水流進口雷諾數相等的條件下，分別采用紅墨水和氮氣作為示蹤劑進行水流模擬試驗，顯示三種帶肋U型通道的流動情況。試驗結果表明，兩種尖部帶肋U型通道不存在滯止區，滿足設計要求；根部帶肋U型通道中氣流發生分離，流場不穩定，需要調整肋的位置。

關鍵詞：航空發動機；渦輪葉片；帶肋U型通道；水流模擬；示蹤劑；紅墨水；氮氣泡

1　引言

隨著航空發動機性能和渦輪前燃氣溫度的不斷提高，高壓渦輪葉片的冷卻逐漸成為人們必須面對的難題。國內外對于航空發動機高壓渦輪葉片內部回轉通道冷卻結構的研究，主要是針對通道內強化肋的形式、結構和通道的面積對回轉通道流動與換熱的影響［1-6］。研究表明，肋片的形式、結構和通道的面積對通道內流體的流動影響很大，通道流阻過大將造成很大的沿程壓力損失。而沿程壓力損失設計不合理，將不能很好地組織氣膜孔的出流量，甚至可造成局部燃氣倒灌而損壞葉片。高壓渦輪轉子葉片為強化前緣換熱，普遍采用多腔帶肋U型通道結構［7-8］。在葉片冷卻通道中，由于空間的限制，U型通道必須做得十分緊湊，彎管部分的曲率很大，以至于在彎管下游甚至在彎管進口會發生流動分離，造成通道內的流動十分復雜。因此，研究帶肋U型通道的流動特性，是葉片通道內冷結構設計的重要前提條件。國內外對渦輪葉片內部回轉通道冷卻結構損失的研究，主要是通過測量進出口氣流壓力，來確定流動損失。而對于回轉通道內部流場顯示試驗研究主要采用兩種方法：一種是氣體流動試驗，采用示蹤粒子和PIV粒子圖像測速法，顯示流動細節。這種方法對試驗設備和試驗人員要求很高，成本也比較昂貴。另一種是水流模擬試驗，采用示蹤粒子和照相方法，顯示流動細節。這種方法更容易實現，效果比較好，成本也比較低。國內對渦輪葉片內部回轉通道冷卻結構損失研究較多，但對流場顯示試驗研究很少。

本文在國內首次采用水流模擬試驗方法，對三種不同帶肋U型通道放大模型的流場進行模擬試驗，以此來評估葉片內冷通道中關鍵的根部和尖部區域的流動情況，檢查回轉通道區域可能存在的滯止區，驗證葉片冷卻通道回轉區域設計是否達到所希望的流動情況，以提高葉片設計的可靠性，盡可能減少設計風險，為今后的設計工作積累寶貴經驗，增加技術儲備。

2　試驗件及試驗方法

高壓渦輪轉子葉片水流模擬試驗件由進口段、轉折段和試驗段三部分組成。其中試驗段包括三個由有機玻璃粘接而成的獨立試驗段，分別模擬葉片尖部帶肋U型通道結構、根部帶肋U型通道結構和有尾緣劈縫尖部帶肋U型通道結構，見圖1。試驗時，三個試驗段分別與進口段和轉折段相連，組成三個不同的試驗件分別進行試驗，各設1個示蹤劑注入孔。

渦輪葉片帶肋U型通道水流模擬試驗在專用水流模擬試驗器上進行。試驗時，采用的循環水由體積為12 m3的水池提供；一臺28 kW的水泵提供170 t/h的水流量，揚程為32 m，用于滿足試驗需要的水流量和壓力。試驗件進、出口水流量用渦輪流量計測量，進口水溫用鉑電阻測量，進口水壓用壓力表監視。照相光源由兩個1 kW點弧氙燈提供，采用數碼攝像機攝像。

在保證幾何面積相似、冷氣流和水流進口雷諾數相等的條件下，對三個試驗段分別進行葉片內部U型通道水流模擬試驗。試驗段安裝好后，對試驗件供水，調整進、出口水流量，直至達到試驗狀態，并監測進口壓力。分別用紅墨水和氮氣作為示蹤劑，通過示蹤劑注入孔注入流道的不同位置，以顯示流動情況，并用數碼攝像機記錄。

圖1　帶肋U型通道試驗段Fig.1 Test sections of blade with ribbed U-shaped channels

3　試驗結果

3.1葉片尖部帶肋U型通道試驗段

葉片尖部帶肋U型通道試驗段流動情況如圖2、圖3所示。從圖中可看出：尖部轉折處的頂部出氣孔對氣流有很強的吸力，從而使得葉尖轉角處不會形成滯止區；兩腔中間隔板端部氣流轉折處雖然存在回流區，但其紊流度很大，所以也不存在滯止區；轉折處其他區域的流動都比較穩定。

3.2葉片根部帶肋U型通道試驗段

葉片根部帶肋U型通道試驗段流動情況如圖4和圖5所示。從圖中可看出：3腔根部最后一條肋對氣流有較強干擾，氣流流過該條肋時受到的阻力較大，發生了分離，破壞了氣流的正常流動。由于氣流發生分離，整個流道的流動都不穩定。

圖2　尖部帶肋U型通道水流試驗結果（紅墨水）Fig.2 The water flow test results of tip-ribbed U-shaped channels（red ink）

圖3　尖部帶肋U型通道水流試驗結果（氮氣泡）Fig.3 The water flow test results of tip-ribbed U-shaped channels（nitrogen bubbles）

圖4　根部帶肋U型通道水流試驗結果（紅墨水）Fig.4 The water flow test results of root-ribbed U-shaped channels（red ink）

圖5　根部帶肋U型通道水流試驗結果（氮氣泡）Fig.5 The water flow test results of root-ribbed U-shaped channels（nitrogen bubbles）

3.3有尾緣劈縫尖部帶肋U型通道試驗段

有尾緣劈縫尖部帶肋U型通道試驗段流動情況如圖6、圖7所示。從圖中可看出：頂部出氣孔對氣流有很強的吸力，這樣在葉尖轉角處雖然存在回流區，但因其紊流度很大，不會形成滯止區；在5腔尾緣通道尖部角落，不存在回旋區；在兩腔中間隔板端部氣流轉折處，雖然存在回流區，但其紊流度很大，所以也不存在滯止區；轉折處其他區域的流動都比較穩定。

圖6　有尾緣劈縫尖部帶肋U型通道水流試驗結果（紅墨水）Fig.6 The water flow test results of tip-ribbed U-shaped channels with trailing edge slot（red ink）

圖7　有尾緣劈縫尖部帶肋U型通道水流試驗結果（氮氣泡）Fig.7 The water flow test results of tip-ribbed U-shaped channels with trailing edge slot（nitrogen bubbles）

4　結論

（1）葉片尖部帶肋U型通道的流動，不存在滯止區，可滿足設計要求。

（2）根部帶肋U型通道，由于氣流發生分離，流場不穩定。建議將3腔根部最后一條肋向上移至轉折處以上位置，以減小其對氣流的干擾，利于氣流穩定流動。

（3）有尾緣劈縫尖部帶肋U型通道的流動，不存在滯止區，可滿足設計要求。

（4）染色劑法和氣泡法，都能比較清楚地顯示葉片內部U型通道的流動。

參考文獻：

［1］ Metzger D E，Plevich C W，Fan C S.Pressure loss through sharp 180 deg turns in smooth rectangular channels［J］. Journal of Engineering for Gas Turbines and Power，1984，106：677—681.

［2］ Metzger D E，Sahm M K.Heat transfer around sharp 180 deg turns in smooth rectangular channels［J］.Journal of Heat Transfer，1986，108：500—506.

［3］ Han J C，Glicksman L R，Rohsenow W M.An investigation of heat transfer and friction for rib-roughened surfaces ［J］.International Journal of Heat Mass Transfer，1978，21：1143—1156.

［4］ Han J C.Heat transfer and friction characteristics in rectangular channels wits rib turbulators［J］.Journal of Heat Transfer，1988，110：321—328.

［5］ Liou T M，Hwang J J.Effect of ridge shapes on turbulent heat transfer and friction in a rectangular channel［J］.International Journal of Heat Mass Transfer，1993，36（4）：931—940.

［6］ Liou T M，Hwang J J.Turbulent heat transfer augmentation and friction in periodic fully developed channel flows ［J］.ASME Journal of Heat Transfer，1992，114：56—64.

［7］ 吉洪湖，Launder B E，Jackson D C.LDA測量的截面U型旋轉通道速度分布［J］.推進技術，2001，22（3）：261—264.

［8］ 吉洪湖，Launder B E，Jackson D C.旋轉的截面U型通道分離流二階相關分量測量［J］.推進技術，2001，22（4）：229—302.

中圖分類號：V232.4；V263.3

文獻標識碼：A

文章編號：1672-2620（2015）03-0039-04

收稿日期：2014-07-27；修回日期：2015-05-10

作者簡介：劉波（1967-），男，山東牟平人，研究員，碩士，主要從事航空發動機空氣系統、渦輪葉片冷卻、熱分析設計及相關課題研究。

Experimental research on ribbed U-shaped channels of turbine blade by water flow simulation

LIU Bo，WANG Yong-hong，ZHANG Lin
（China Gas Turbine Establishment，Chengdu 610500，China）

Abstract：Water flow simulation experiments were conducted to investigate ribbed U-shaped channel models of an aero-engine high pressure turbine blade，which were tip-ribbed，root-ribbed，and tip-ribbed with trailing edge slot.The tests were made under the conditions of similar geometric area，equal Reynolds number of water and cool air flow inlet.Red ink and nitrogen were used as tracers to show the flow conditions of the three types of ribbed U-shaped channels.The experimental results indicate that there are no stagnation zones in the two tip-ribbed U-shaped channels，which meet the design requirements，and there is flow separation in the root-ribbed U-shaped channel causing flow instability and therefore the position of rib needs to be adjusted.

Key words：aero-engine；turbine blade；ribbed U-shaped channels；water flow simulation；tracers；red ink；nitrogen bubbles