間隙射流對端壁氣膜冷卻性能影響的實驗研究

姚韻嘉,祝培源,陶志,宋立明,李軍

(西安交通大學葉輪機械研究所,710049,西安)

由于端壁區域存在大范圍的、復雜的三維二次流結構,成為燃氣輪機內部流動傳熱機理最復雜的區域之一。燃氣透平進口溫度不斷增加,燃燒室出口溫度分布也越來越扁平[1],上游間隙對端壁氣膜冷卻性能的影響愈發嚴重。

針對上游間隙射流對于端壁氣膜冷卻性能的影響,Thole等對存在上游間隙射流時,葉片端壁氣膜有效度分布進行了詳細測量,結果表明,受到端壁二次流的影響,氣膜主要覆蓋在通道前部并靠近葉片吸力面側[2]。Burd等實驗研究了上游間隙射流對高壓透平導葉端壁流動結構、氣膜冷卻效率以及傳熱特性的影響,實驗結果表明,間隙射流質量流量較大時,可對端壁形成一定的冷卻保護,且能夠在一定程度上減弱二次流[3-4]。Blair等關于葉片上游間隙射流對端壁的氣膜冷卻作用以及對端壁傳熱性能影響開展了相關研究,研究發現,間隙下游的端壁氣膜分布沿周向變化劇烈[5]。Lynch等通過實驗研究了間隙射流對端壁熱負荷的影響以及對氣膜冷卻作用、傳熱性能的影響,結果表明,間隙射流對端壁前部提供一定的氣膜冷卻作用且能增強整個端壁的傳熱,可有效降低在端壁前部的熱負荷,而在通道后部間隙射流不能形成良好的冷卻保護,增大了傳熱系數,導致該區域內的熱負荷增大[6-7]。Cardwell等關于間隙寬度對透平第1級靜葉的端壁氣膜冷卻性能的影響進行了實驗研究,結果表明,增加間隙射流的質量流量,可提高端壁氣膜有效度,而增加間隙射流的動量通量比,可提高氣膜覆蓋面積[8]。Gao等采用壓力敏感漆技術,在平面葉柵實驗臺上,實驗研究了間隙射流對大轉折角葉片端壁氣膜冷卻的影響[9]。

國內關于間隙射流對端壁流動傳熱性能影響的研究相對較少。杜昆等利用數值方法研究了間隙出流結構對端壁氣膜冷卻性能的影響,結果表明,間隙入射段結構對葉片前緣端壁區域的冷卻效率影響顯著,采用相切圓弧過度的入射段結構,能減小間隙射流的流動分離,具有優良的冷卻性能[10-11]。劉高文等在大尺寸低速平面實驗臺上,有關單排氣膜孔的噴射角對渦輪葉柵端壁氣膜冷卻傳熱的影響進行了研究,結果表明,減小噴射角可以顯著提高冷卻效率,但也增大了換熱系數[12]。楊星等利用數值方法對于葉柵通道中有無端壁間隙、不同間隙泄漏流量及不同間隙射流角對于氣膜有限度分布的影響,結果表明,端壁間隙限制了氣膜的擴散分布,不恰當的泄漏流會削弱冷卻效果[13]。宋立明等利用數值方法對上游間隙對葉片端壁氣膜冷卻、傳熱及氣動性能的影響進行了研究,結果表明,間隙射流對葉片端壁提供了氣膜冷卻作用,但同時會增加端壁前緣位置的傳熱系數,間隙角度的減小,會增強端壁的冷卻保護,間隙距葉片前緣距離的增大能夠減弱端壁二次流,提高端壁氣膜分布的均勻性[14-15]。

綜上所述,考慮到實際葉柵的環形效應,本文設計搭建了環形葉柵測量系統,并對質量流量比以及間隙射流角度對于端壁氣膜有效度的影響進行了相關研究。

1 實驗系統

1.1 氣膜冷卻實驗臺和實驗工況

實驗裝置示意圖如圖1所示,主流由壓縮機通過低速風洞提供,風洞中設置整流格柵、收縮段以及穩流段,隨后進入實驗段。

圖1 實驗裝置示意圖

間隙射流由多瓶壓縮二氧化碳提供,利用質量流量控制器控制射流流量,通過調節各級減壓閥調整間隙射流流量,保證實驗所需質量流量比。質量流量比定義為

%

(1)

式中:m∞、mc分別為來流、射流質量流量。本實驗中質量流量比M為1.0%、1.5%、2.0%。間隙射流經過液氮冷卻裝置進行冷卻,通過氣室以及間隙進入環形葉柵實驗段的通道內。間隙射流管道外側覆蓋一層保溫棉以及保溫材料,以減少熱量損失。為了保證實驗盡可能接近實際運用的條件,同時保證不同實驗工況的統一性,射流的溫度控制在-20 ℃,實驗中主流與間隙射流的密度比為1.7。

1.2 實驗段

采用Solidworks三維造型軟件對實驗段進行了設計,三維示意圖如圖2所示。為了降低端壁導熱的影響,實驗段采用低導熱率光敏樹脂材料(導熱率為0.2 W/(m·K))進行3D打印加工。

圖2 實驗段三維示意圖

實驗中選取GE公司的E3透平第1級靜葉作為實驗參考葉型,葉片根部截面型線及三維造型示意圖如圖3所示。表1給出了實驗臺相關參數。為了保證環形葉柵通道周期性,實驗臺設置了6個葉片,形成5個葉柵通道,選取中間的通道進行測量。圖3中間隙結構位于葉片前緣位置處,距葉片前緣位置0.1倍葉片軸向弦長,在不同的實驗工況中,位置不同。同時,為了避免實驗中冷卻射流分配不均的情況,在實驗段中增加氣室結構,使得冷卻氣體在通過間隙進口處時達到均勻分布。

表1 實驗臺相關參數

圖3 葉片型線及三維造型示意圖

1.3 數據測量和采集系統

1.3.1 溫度及壓力測量系統 實驗中需要對主流溫度、冷卻氣體溫度進行監測。采用I級精度的K型熱電偶對主流溫度進行測量,其測量范圍為-200～1 200 ℃,精度為0.4%;采用I級精度的T型熱電偶對冷卻氣體溫度進行測量,其測量范圍為-200～350 ℃,精度為0.4%。溫度的采集使用DEWESOFT公司生產的高頻溫度采集模塊,精度為0.05%,最高采樣頻率為200 kHz。主流進口設置總壓探針,對主流的進口總壓進行監控,確保實驗中主流工況不發生變化;壓力測量采用Rosement公司的高精度壓差變送器;間隙射流流量由高精度ALICAT 21系列質量流量控制器直接讀取。

1.3.2 紅外熱像儀測量系統 對于端壁溫度分布的測量利用紅外測試技術,采用美國FLIR公司生產的高精度紅外熱像儀FLIR T650sc。紅外測量作為一種非接觸式的測量,對于流動以及溫度的影響較小,且紅外熱像儀具有空間分辨率高、測量范圍廣等優點,可對本文所需端壁表面進行全場測量,從而可快速準確獲得端壁表面的溫度場分布,有效彌補了熱電偶測溫技術測量點稀疏分散的不足。實驗所用的紅外熱像儀實物圖如圖4所示,相關參數如表2所示。

圖4 紅外熱像儀實物圖

參數名稱參數值型號FLIRT650SC相機精度640×480像素測量精度±1%或±1℃測量范圍-40℃～150℃圖像幀頻≤30 Hz空間分辨率0.68 mrad工作波長7.5～14 μm視場角/最小焦距25°×19°/0.25 m

圖5給出了紅外熱像儀溫度標定曲線,利用熱電偶(TC)和紅外熱像儀(IR)獲得標定點的多組溫度數值,從而對于紅外熱像儀進行溫度標定,圖中T1為實際溫度,T2為測量溫度,在實驗范圍內,紅外熱像儀可以準確測量端壁溫度。

圖5 紅外熱像儀溫度標定曲線

紅外熱像儀的窗口設置如圖6所示,實驗測量中紅外熱像儀的測量視場為60 mm×80 mm的矩形區域,將視場向二維平面投影得到最終的實驗測試結果,所選視場可以完整清晰地展示端壁區域。

圖6 紅外測量的窗口設置

1.4 實驗誤差分析

絕熱氣膜有效度可定義為

(2)

式中:T∞為主流來流溫度;Taw為壁面絕熱溫度;Tc為間隙射流的溫度。主流溫度采用K型熱電偶溫度進行測量,誤差為±0.2 ℃,間隙射流與壁面溫度采用T型熱電偶進行測量、標定,誤差分別為±0.2 ℃、±0.4 ℃。

對目標測量絕熱氣膜有效度進行相對誤差估計,即

(3)

當η為0.1、0.5、0.9時,絕對誤差Δη分別為0.017、0.016、0.017,相對誤差分別為17%、3.2%、1.9%。

2 實驗結果與分析

在自主設計搭建的環形葉柵實驗臺上開展了間隙射流角度對于環形葉柵端壁氣膜冷卻性能的實驗研究,實驗中進口總壓為1 kPa(表壓),進口總溫為15 ℃,出口壓力為當地大氣壓,葉柵出口馬赫數為0.1。

2.1 質量流量比對端壁絕熱氣膜有效度的影響

實驗研究了間隙射流質量流量比對端壁絕熱氣膜有效度的影響,端壁間隙的幾何結構示意圖如圖7所示。圖中Cax為葉片軸向弦長,0.1Cax表示葉片前緣位置到間隙出口靠近葉片端的距離為0.1倍葉片軸向弦長。

圖7 端壁間隙幾何結構示意圖

3種不同質量流量比M為1.0%、1.5%、2.0%條件下端壁氣膜有效度的分布云圖如圖8所示。由圖8可知:受到端壁二次流的影響,間隙射流在端壁所形成的冷卻氣膜集中分布在葉柵通道前部靠近吸力面側區域,對于壓力面側區域以及葉柵通道后部幾乎沒有冷卻保護;在葉片前緣位置附近,由于馬蹄渦向端壁卷吸主流,會增強主流與冷卻流體的摻混,從而顯著降低葉片前緣區域附近的氣膜有效度;隨著質量流量比的增大,冷卻射流覆蓋范圍擴大,端壁氣膜有效度也提高。當M=1.0%時,由于間隙出口冷卻流體的動量較小,不足以抵抗馬蹄渦帶來的影響,間隙射流對于葉片前緣端壁位置附近幾乎沒有冷卻作用;當M=1.5%時,與M=1.0%時相比,間隙射流對葉片前緣位置附近區域具有一定的冷卻保護;當M=2.0%時,間隙射流已經能夠對葉片前緣附近區域的端壁形成較為良好的氣膜冷卻保護。這是因為隨著間隙射流質量流量比的增大,冷卻流體的動量相應提高,具有較高動量的冷卻流體能夠抵抗馬蹄渦的影響,因此能夠對葉片前緣附近的區域進行一定的冷卻保護。

(a)M=1.0%

(b)M=1.5%

(c)M=2.0%圖8 M不同時端壁氣膜有效度分布云圖

M不同時,環形葉柵前緣位置端壁氣膜有效度的周向分布如圖9所示。由圖9可知:隨著M由1.0%提升到1.5%,端壁氣膜有效度顯著提高;M由1.5%提升到2.0%時,氣膜有效度提高幅度變小,但總體冷卻性能進一步提升;對于峰值進行對比,特別是在X/t=0.6附近區域,其中t為兩葉片前緣點之間的距離,X為測量點距左端葉片前緣點距離,M=1.5%,2.0%時相較于M=1.0%時,氣膜有效度峰值分別提升了33%及37.5%。

2.2 射流角度對于端壁氣膜冷卻性能的影響

在間隙射流角度對端壁氣膜冷卻性能影響的實驗研究中,測量了射流角度為45°、65°和90°時的氣膜有效度,3種不同射流角度的間隙幾何結構示意圖如圖10所示。

圖9 M不同時環形葉柵前緣位置端壁氣膜有效度的周向分布

圖10 不同射流角度間隙幾何結構示意圖

(a)M=1.0%

(b)M=1.5%

(c)M=2.0%圖11 不同射流角度下葉片端壁氣膜有效度分布云圖

不同間隙角度下的葉片端壁氣膜有效度分布云圖如圖11所示。由圖11可知:當M=1.0%時,3種不同間隙射流角度下端壁氣膜有效度均較低,特別是對于葉片前緣附近區域,由于此時間隙射流的動量較小,受到馬蹄渦的影響,3種角度下對于葉片前緣區域幾乎均沒有冷卻保護的效果;當M=1.5%時,對于葉片前緣附近區域,射流角度為45°時間隙射流已經具有了較弱的冷卻保護效果,當射流角度為65°時,保護效果有了一定程度的下降,而當射流角度為90°時,葉片前緣的端壁區域幾乎沒有間隙冷卻流體的覆蓋;M=2.0%、射流角度為45°時,間隙冷卻射流已經能比較有效地對葉片前緣附近區域進行冷卻保護,當射流角度為65°時,氣膜冷卻的保護效果有了一定的下降,當射流角度增大到90°時,區域內的端壁氣膜有效度顯著降低,這是因為隨著間隙射流角度的減小,間隙射流沿主流流動方向會具有更大的分動量,因此在較大質量流量比下,會在一定程度上抵抗馬蹄渦的影響,從而對葉片前緣附近端壁附近區域起到一定的冷卻保護效果。

因此,在本文實驗所研究的質量流量比范圍內,減小間隙射流角度會提高間隙射流對端壁的氣膜冷卻保護的能力,隨著間隙射流角度的減小,端壁氣膜有效度相應提高,氣膜覆蓋范圍也有所增加。

(a)M=1.0%

(b)M=1.5%

(c)M=2.0%圖12 不同射流角度下葉片前緣位置端壁氣膜有效度的周向分布

不同射流角度下葉片前緣位置端壁氣膜有效度的周向分布如圖12所示。由圖12可知,在所研究的質量流量比范圍內,隨著間隙射流角度的增大,葉片前緣位置附近區域內的端壁周向氣膜有效度的氣膜有效覆蓋范圍都有所減小,且隨著射流角度的增大,葉片通道中間位置的氣膜有效度降低。由圖12a可知,在M=1.0%時,45°與65°射流角度相比,在氣膜有效度最高值上變化不大,但是整體的覆蓋面積在射流角度為45°時更大,分布也較為平均,而當射流角度達到90°時,整體的氣膜冷卻效果都顯著減弱;由圖12b、圖12c可知,隨著M的增大,氣膜有效度的峰值均有所提升,且不同射流角度下的對比更加明顯,特別在X/t=0.6位置附近的區域,當M=1.0%,1.5%,2.0%時,隨間隙射流角度從45°增大到90°,質量流量平均后的氣膜有效度分別下降了17%、15%、13%。

3 結 論

本文自主設計并搭建了上游間隙射流作用下扇形葉柵端壁氣膜冷卻性能實驗測量平臺。基于高精度紅外測溫技術實驗測量了不同質量流量比、間隙射流角度條件下扇形葉柵端壁氣膜有效度,得到了如下結論。

(1)間隙射流可以對端壁前部區域進行一定的冷卻保護。受到端壁二次流的影響,間隙射流在端壁所形成的冷卻氣膜主要集中在葉柵通道前部靠近吸力面側區域,對壓力面側區域以及葉柵通道后部幾乎沒有冷卻保護。

(2)增大間隙射流的質量流量比,可提高間隙射流對端壁的氣膜冷卻作用。隨著射流質量流量比的增加,端壁氣膜有效度提高,氣膜分布范圍增大。

(3)3種不同間隙射流角度的實驗測量結果表明:隨著間隙射流角度的減小,可有效提高端壁的氣膜有效度,并且在較高的射流質量流量比條件下,采用較小的間隙射流角度時,射流受馬蹄渦的影響減小,可對葉片前緣附近的端壁區域提供一定的氣膜冷卻作用。