葉片前腔高阻塞比肋化通道換熱特性實驗研究

王培梟，孫瑞嘉，鐘濱濤，李 杰，楊衛華

(1.南京航空航天大學 能源與動力學院， 南京 210016；2.中國航發湖南動力機械研究所， 湖南 株洲 412002)

隨著航空發動機渦輪前進口溫度的提高，渦輪葉片承受的熱負荷愈來愈高，亟需采取有效的冷卻措施對葉片進行熱防護。在氣冷葉片內部采用肋化通道是強化葉片內部冷卻氣流與壁面對流換熱的主要方式[1]，但如何合理地設計粗糙肋的結構形式以獲得最優的強化換熱效果，最大程度地吸收高溫燃氣傳遞給葉片的熱量，降低葉片表面的溫度，是肋化通道設計中的關鍵問題。在葉片內冷通道中，前腔對應著葉片前緣位置，直接面對高溫燃氣的沖擊，最易發生葉片燒蝕，因此研究前腔肋化通道的對流換熱特性尤為重要。

目前，國內外學者針對幾何參數對肋化通道流動換熱的影響開展了大量研究[2-6]。Boudjemaa等[7]借助數值模擬研究了二維帶肋通道中第1個肋的寬度變化對換熱特性的影響。Le等[8]研究發現，保持肋間距不變，隨著肋寬的增加，流體再附著于通道表面的現象逐漸消失，換熱系數逐漸減小，但肋寬增加時摩阻系數更低。Liu等[9]研究了肋間距對45°肋回轉通道的換熱和壓力損失的影響，結果發現：由于斜肋所誘導的二次流加劇了肋間氣流的循環，導致在肋間距最小時換熱性能最好，同時壓力損失隨著肋間距的增大先升高后降低。孫岳[10]研究發現：對于矩形通道，在Re=20 000時，隨著通道寬高比的增加，整體換熱性能增強。Lau等[11]研究發現：V形肋的換熱和流阻特性均優于平行布置的粗糙肋，而間斷V形肋的效果又比V形肋的效果要好。王德強等[12]實驗研究了直肋、斜肋、V肋和W肋的流動換熱特性，并采用瞬態液晶技術得到了W肋的局部換熱分布，實驗結果表明：W肋的綜合熱性能最優，直肋的綜合熱性能最差。Taslim等[13]研究結果發現：肋倒角的存在使通道平均換熱系數有所減小，但是摩擦阻力也隨之降低。Chandra等[14]研究了方形通道中帶肋壁面個數對通道換熱和流阻特性的影響，結果表明：隨著帶肋壁面數量的逐一增加，換熱得以強化，同時流阻系數顯著增加，并且阻力的增幅遠大于換熱系數的增幅。Gao等[15]研究了肋排布形式對雙路肋化通道換熱性能的影響。張洪等[16]針對U形方通道，研究了肋傾斜角對前后緣面以及內外側面換熱特性的影響。在此基礎上，崔欣超等[17]發現：改變溫度比會使通道內空氣物性和氣流浮升力發生改變，溫度比的提高會削弱通道內的換熱。

然而大部分研究所涉及的阻塞比均不超過0.1，而對于渦軸發動機等中小型航空發動機，阻塞比一般在0.15以上，較低阻塞比的研究結果無法直接應用于高阻塞比肋化通道的設計中。目前，專門針對高阻塞比肋化通道的相關研究報道還較為少見。Yang和周明軒等[18-19]設計了0.2和0.33兩種高阻塞比的肋化通道，實驗研究了阻塞比、間距比和肋排布形式對通道換熱和流阻特性的影響。Casarsa等[20]借助PIV技術測量了高阻塞比肋化通道的湍流流場特征。上述研究對高阻塞比肋化通道的流動和換熱特性做出了有益的探索，但研究還不夠充分。另外，大部分研究者采用的肋化通道截面形狀為矩形或梯形[21]，這與葉片前腔的截面形狀相差較大，其他涉及整體葉片內腔的換熱實驗一般將前腔簡化為三角形或四邊形[22-23]，這必然造成前緣區域的換熱特性出現較大的誤差。因此，在保證渦輪葉片前腔通道幾何特征的基礎上，開展高阻塞比肋化通道的流動換熱特性研究是十分必要的。

本文設計了典型葉片前腔肋化通道，研究了進氣Re數、肋高、肋間距、肋倒角等參數對前腔肋化通道內表面有肋側、無肋側和前緣等不同區域換熱特性的影響。研究結果可為渦輪葉片內冷通道的設計提供一定的參考。

1 實驗系統及實驗件

實驗系統和實驗段如圖1、2所示，空氣由壓縮機出來之后首先進入穩壓罐，待氣流穩定后依次通過閥門和質量流量計(精度為 1%)，最后進入實驗段，氣流流經實驗段之后直接排入大氣。

在實驗段的進口和出口均布置有壓力探針和直徑1 mm的K型鎧裝熱電偶，并分別與壓力掃描閥和溫度巡檢儀相連，用以采集氣流的進出口壓力和溫度。

圖1 實驗系統示意圖

圖2 實驗段示意圖

實驗段的待測表面使用厚度為30 mm的膠木板加工而成，以保證其壁面處于絕熱狀態，在其上粘貼厚度為0.02 mm的康銅加熱膜，并在加熱膜表面均勻噴涂啞光黑漆，使其表面發射率為0.96，將加熱膜與直流穩壓電源相連以獲得均勻穩定的表面熱流。

實驗通道上表面開設有紅外窗口，在窗口中安裝5 mm厚的紅外玻璃，使用MAG32型紅外熱像儀(精度為2%)拍攝加熱膜表面的溫度分布。

圖3、4分別為實驗通道的三維圖和橫截面形狀，通道內表面主要分為有肋側、無肋側和前緣3個區域，上下有肋側表面交錯布置有90°橫肋，其中下表面橫肋等厚度延伸至前緣。紅外窗口開設在上表面有肋側，其表面由紅外玻璃構成，實驗待測表面包括前緣區域、無肋側以及下表面的有肋側。

圖3 通道示意圖

圖4 通道橫截面形狀

橫肋幾何參數如圖5和表1所示。實驗前，將橫肋按照固定位置分別粘貼在加熱膜和紅外玻璃表面。為了避免上下交錯布置的橫肋對肋間區域產生遮擋，使用3臺完全相同的紅外熱像儀分別從3個不同的角度進行拍攝，以獲得全面完整的溫度分布，如圖2所示。另外，有肋側、無肋側和前緣在周向上的跨度較大，紅外熱像儀無法一次拍攝到所有表面，因此實驗針對3個區域分別進行測量，測量視角和測量區域如圖4所示，其中在前緣區域，由于壁面過度彎曲，紅外熱像儀只能拍攝到靠近下表面有肋側的約3/4的表面。在單獨測量每個區域時，鏡頭視線與表面法向夾角控制在60 ℃以內，以保證表面發射率近似不變。

圖5 橫肋幾何參數

Ree/dr/ew/p5 000～50 0000.04～0.320.1～0.50.04～0.16

2 實驗數據處理

肋化通道進口雷諾數為

(1)

式中：ρ、u、μ分別為通道入口氣流密度、平均速度和動力黏度；d為通道水力直徑。

肋化通道對流換熱系數為

(2)

(3)

式中：Q=UI=81.9 W為加熱膜的加熱熱流；Qloss為加熱膜的熱損失；A為加熱膜面積；Tw和Tin分別為加熱膜表面溫度和通道入口氣流溫度；λ為氣流的導熱系數。

在實驗過程中，由于膠木板不可能完全絕熱，加熱膜的一部分熱量會通過膠木板散失到周圍環境中，散失的熱量應當與膠木板外表面和周圍空氣之間的對流換熱量相等。實驗段水平放置，膠木板外側向下，根據傳熱學知識可知，此時膠木板外側與周圍空氣的換熱屬于熱面向下的大空間自然對流換熱[24]，其換熱系數為

(4)

其中格拉曉夫數

(5)

普朗特數

(6)

由式(4)～(6)可得加熱膜熱損失

Qloss=hAp(Tw′-T∞)

(7)

量綱為一對流換熱系數為

(8)

式中Nu0為光滑管道湍流強制對流換熱經驗關聯式。

3 紅外測溫標定

為了準確獲得待測表面溫度，減小紅外測溫誤差，實驗結束后，使用熱電阻對紅外測溫進行標定。

在不通氣流、保持紅外熱像儀位置等因素均不變的情況下，在有肋側、無肋側和前緣的加熱膜上各粘貼6個熱電阻，用以測量加熱膜的真實溫度。通過調節加熱膜兩端電壓，可以使其表面溫度穩定在不同的量值，且確保該溫度變化范圍覆蓋實驗實際測量范圍，待加熱膜溫度穩定時，同時記錄對應位置熱電阻和紅外熱像儀所測的溫度值。最后，針對有肋側、無肋側和前緣3個不同區域，分別對紅外測溫進行標定，使用最小二乘法擬合得到的標定公式如下：

有肋側

T=1.036 1t-0.976 8

(9)

無肋側

T=1.107 6t-3.093 9

(10)

前緣

T=1.054 3t-1.476 4

(11)

根據誤差傳遞公式[25]，在實驗研究參數范圍內對流換熱系數的最大相對誤差為±9.5%。

4 實驗結果及分析

4.1 沿程對流換熱系數分布

圖6為標準結構中有肋側、無肋側和前緣的展向平均Nu沿流向的分布曲線，其中X/d表示當前位置距通道入口的流向距離X相對于通道水力直徑d的量綱為一距離。

圖6 沿流向的展向平均Nu分布(e/d=0.2,r/e=0.1,w/p=0.1)

實驗段上、下有肋側各布置有6根橫肋，下表面有肋側的橫肋中截面對應的量綱為一距離分別為2、4、6、8、10、12，圖中一共包含5個肋間距。

可以看出，有肋側、無肋側和前緣的展向平均Nu均隨著進口Re的增加而顯著提升，這是因為進口Re增加時，氣流流速增大，與壁面之間的換熱增強。同時，3個區域的展向平均Nu在流向上大致呈周期性分布，且變化趨勢并不隨Re的增大而改變，這表明肋化通道中5個肋間距內的流動狀態大致相似，并且當流量增大時流動狀態基本不變。

圖7 肋化通道流場

具體分析3個區域。以第3個肋間距為例，對于有肋側，由于橫肋的存在，對氣流產生擾動，破壞了流體的邊界層，使氣流在肋后依次出現流動的分離和再附著現象，如圖7所示。在緊靠肋后的分離區域，由于分離渦的存在，流體與壁面之間的熱交換能力較弱，壁面溫度最高，換熱系數最小。隨后，在再附著區域，由于流體的慣性，再加上壁面交錯肋的作用，使流體產生斜向下的俯沖速度，加劇了對壁面的沖刷作用，使再附著區域溫度最低，對流換熱系數最大。再往后，流體的邊界層開始發展并逐漸增厚，與壁面之間的熱交換能力逐漸減弱，對流換熱系數逐漸下降。最后，氣流沖擊到下一條橫肋的迎風面，使肋根附近的換熱略有增強。因此，有肋側的換熱系數在一個完整的周期內呈現先增大后減小，再略有增大的趨勢，前緣的變化趨勢與有肋側類似。

對于無肋側，展向平均Nu在前半個周期內較大，在后半個周期內較小。這是因為前腔通道橫截面左右為非對稱結構，且下壁面橫肋在右側等厚度延伸至前緣，在此橫截面上，左邊無肋側表面附近的流動空間與右邊前緣相比明顯較大，且不存在橫肋的阻礙，流體流動的阻力較小，因此當流體流過該截面時，更傾向于從左邊通過。這種阻礙作用在流線圖上表現為流線的偏向，如圖8所示，當流體越過下表面橫肋時，由于前緣區域橫肋的阻礙，導致流線由前緣向無肋側偏移，這使得肋后無肋側附近的流動速度較大，流體與壁面之間的換熱較強，對流換熱系數較高。沿流向往后，上壁面的橫肋并沒有延伸至前緣，這使得右側前緣區域的流動阻力減小，上述阻礙效應有所減弱，因此在上壁面肋后，無肋側的換熱系數又有所降低。

4.2 阻塞比e/d對無量綱對流換熱系數的影響

圖9為Re不同時，有肋側、無肋側和前緣的Nu/Nu0隨阻塞比e/d的變化。可以看出：在Re不變時，Nu/Nu0均隨阻塞比e/d的增大而單調增加，且這種趨勢不隨Re的變化而改變。下面單獨以Re=30 000時為例進行分析，如圖10所示。

圖8 三維流場

圖9 阻塞比e/d對Nu/Nu0的影響(r/e=0.1,w/p=0.1)

圖10 阻塞比e/d對Nu/Nu0的影響(Re=30 000,r/e=0.1,w/p=0.1)

隨著阻塞比e/d的增大，橫肋對流體的擾動作用加劇，流體與通道壁面之間的換熱增強，靠近壁面附近的較高溫度流體與通道中心區域的摻混增強，因此有肋側、無肋側和前緣的Nu/Nu0均隨阻塞比e/d的增大而顯著增大，且阻塞比e/d越大，增大的幅度越明顯。但是阻塞比不同時，3個區域Nu/Nu0之間的量值大小并不相同。具體分析如下：當阻塞比e/d<0.2時，由于有肋側和前緣橫肋的存在，有效地強化了流體與壁面之間的換熱，且有肋側的流動空間相對較大，對流體的阻礙作用較小，因此有肋側的Nu/Nu0最大，前緣次之，無肋側最低；當阻塞比e/d增大到0.2時，前緣區域橫肋的存在對流動的阻礙作用開始彰顯，并隨著阻塞比的增大而愈加顯著，使得前緣的Nu/Nu0開始低于無肋側且差距愈來愈大；隨著阻塞比繼續增加，有肋側和無肋側Nu/Nu0的增加幅度明顯加大，并且在阻塞比e/d=0.32時，無肋側的Nu/Nu0反而超過有肋側達到最大，這可能是因為阻塞比過大時，有肋側肋后的分離區域增大，導致肋后的高溫區域擴大，同時前緣對流體的阻礙作用加劇，使更多的流體傾向于由無肋側附近通過，強化了流體與無肋側表面的換熱，這也與前緣Nu/Nu0的增加幅度下降的現象吻合。上述兩個原因使得無肋側的換熱強化程度反而優于有肋側。

4.3 肋倒角-肋高比r/e對量綱為一對流換熱系數的影響

圖11為肋倒角/肋高比r/e對有肋側、無肋側和前緣Nu/Nu0的影響。分析可知，有肋側的Nu/Nu0隨著r/e的增加而單調遞減，這是因為r/e增大時，橫肋的截面形狀更趨近于流線型，對流動的擾動作用減弱，流體與壁面之間的熱交換能力下降，Nu/Nu0有所減小。但是r/e的增大也在一定程度上減小了前緣區域橫肋對流動的阻礙作用，因此前緣的Nu/Nu0在r/e剛開始增大時，先是略有上升，但幅度很小，之后隨著r/e的繼續增大，橫肋對流體的擾動作用減弱明顯，Nu/Nu0出現小幅下降。對于無肋側，當r/e由0.1增大到0.4時，橫肋對無肋側附近流體的擾動作用減弱，通道形狀變得相對光滑，流動的分離現象得以削弱，分離區域隨之縮減，使得無肋側表面的較高溫度區域面積減小，換熱有所增強，但是當r/e增大到0.5時，Nu/Nu0又略有下降，原因可能是此時前緣附近的流動阻力下降明顯，反過來造成無肋側附近的流動速度減小，換熱能力下降。

圖11 肋倒角-肋高比r/e對Nu/Nu0的影響(Re=30 000,e/d=0.2,w/p=0.1)

4.4 肋寬-肋間距比w/p對無量綱對流換熱系數的影響

圖12示出了肋寬/肋間距比w/p對有肋側、無肋側和前緣Nu/Nu0的影響。可以看到，隨著w/p的增大，Nu/Nu0均呈現先增大后減小的變化趨勢，這說明w/p過大或過小均不利于強化換熱。分析原因如下：粗糙肋強化通道表面換熱的原因主要在于肋會對氣流產生擾動，使流體在肋后會出現分離和再附著現象，流體的再附著加劇了對壁面的沖刷，使流體與壁面之間的換熱增強，壁面溫度降低，對流換熱系數增大。本文肋間距p均保持不變，當w/p為較大值(如0.16)時，肋寬增加，肋間光滑表面的流向距離減小，同時通道的有效流通面積相對來說有所下降，導致流體的再附著現象減弱甚至消失，流體與壁面之間的熱交換能力下降，肋間光滑壁面的溫度升高，對流換熱系數較低；當w/p為較小值(如0.04)時，分離和再附著區域在流向上所占的比例較小，在再附著區域之后，流體邊界層開始發展，邊界層厚度逐漸增加，流體的換熱能力逐漸下降，且這種流體橫掠平板的對流換熱現象在流動中占據主導作用，使得壁面的平均換熱系數亦較低。綜上可知，在實驗參數范圍內，w/p存在一個最優值，此時的換熱強化比最高，但是有肋側、無肋側和前緣所對應的最優值并不相同。

圖12 肋寬-肋間距比w/p對Nu/Nu0的影響(Re=30000,e/d=0.2,r/e=0.1)

5 結論

為了研究渦輪葉片前腔高阻塞比肋化通道的流動換熱特性，采用實驗的方法分別測量了前腔通道有肋側、無肋側和前緣3個區域的對流換熱系數，研究了阻塞比、肋倒角-肋高比、肋寬-肋間距比以及進口Re等幾何和流動參數對換熱的影響，結果表明：

1) 有肋側、無肋側和前緣的展向平均對流換熱系數在流向上大致呈周期性分布，且整體變化趨勢不受Re的影響；

2) 隨著進口Re的增加，通道的對流換熱系數顯著增大；

3) 在實驗參數范圍內，阻塞比的增加有利于通道的強化換熱，且這種趨勢不隨進口Re的增大而改變；

4) 肋倒角-肋高比對換熱的影響較小，當肋倒角-肋高比增大時，有肋側的強化換熱效果逐漸減弱，前緣和無肋側則經歷一個先稍有增強后略微減弱的過程，但變化幅度很小；

5) 肋寬-肋間距比過大或過小均不利于肋化通道的強化換熱，存在一個最優的中間值使得換熱強化比最高，但通道不同區域對應的最優值并不一致。