高壓渦輪葉尖壓力側開槽對氣動換熱特性的影響

錢夢成， 盧少鵬， 滕金芳

(上海交通大學航空航天學院，上海 200240)

高壓渦輪葉尖泄漏流增加渦輪氣動損失的同時，會造成葉尖熱負荷的集中及升高。為削弱葉尖泄漏流和降低葉尖熱負荷，國內外眾多學者針對葉尖結構開展了相應的研究。

Bunker等[1]對渦輪葉尖換熱機理進行了早期的研究，并且對高壓渦輪葉尖換熱進行了數值模擬和實驗研究。Zhang等[2]研究了溫比對渦輪葉尖氣熱性能的影響。為了提高氣動效率、改善葉尖換熱性能，凹槽葉尖結構應運而生。Yang等[3]進行了對凹槽葉尖換熱情況的數值模擬。針對凹槽深度對渦輪葉尖換熱性能的影響，Metzger等[4]進行了相關的研究,結論為更大的凹槽深度可以有助于降低腔底的換熱系數。除了凹槽深度，凹槽結構的一些其他參數也會影響葉尖的氣熱性能。Zhou等[5]研究了凹槽的寬度對氣動損失及換熱性能的影響。早期的研究更多集中于亞音速流動，在最近的研究中，跨音速流動下的氣熱性能已成為研究熱點。Wheeler等[6]發(fā)現亞音速和跨音速流動在流動結構上有著巨大的差距，從而造成換熱系數分布上的差別。Zhang等[7]進行了跨音速平葉尖換熱實驗，結果表明在跨音速條件下葉尖上存在明顯的高換熱系數帶，驗證了葉頂間隙中激波的存在。Zhang等[8]比較了不同葉頂間隙下葉尖氣熱性能，得出的結論是葉頂間隙越小，葉尖泄漏流越少，葉尖換熱性能越好。王瑞等[9]進行實驗對比了有無氣膜孔情況下，氣膜孔周圍換熱系數的變化情況。任戰(zhàn)鵬等[10]對短周期風洞中渦輪葉片端壁的換熱做了實驗研究，得出了不同的葉柵入口條件對換熱系數的影響。劉友宏等[11]通過改變湍流度，得到了葉片外側對流換熱系數隨湍流度的變化規(guī)律。

在凹槽葉尖壓力側開槽，通過實驗及數值模擬方法，研究其對葉尖換熱和氣動性能的影響。

1 實驗設置

1.1 實驗設施及實驗條件

實驗在上海交通大學航空航天學院氣動換熱實驗室進行。風洞設備如圖1所示。關于該實驗風洞的詳細介紹可參照Ma等[12]的研究。

圖1 實驗風洞設備Fig.1 Wind tunnel facility

為了保證流場的周期性，實驗段采用五個葉片和四個通道。葉片采用光敏樹脂材料3D打印，實驗過程采集中間葉片葉尖的溫度場。通過皮托管及熱電偶采集來流壓力與溫度。

圖2是實驗段的側視圖，采用紅外相機(FLIR A325)，透過紅外窗口測量葉尖和腔底的溫度分布。

圖2 實驗段側視圖Fig.2 Test section (side view)

瞬態(tài)換熱實驗進出口條件如表1所示。控制加熱器的閥門在實驗過程中打開時間超過3 s使得進口總溫及總壓達到穩(wěn)定值。

表1 實驗條件Table 1 Experimental condition

1.2 數據處理方法

換熱系數h定義如式(1)所示：

q″=h(Tad-Tw)

(1)

式(1)中：q″為熱流密度；Tad為壁面絕熱溫度;Tw為壁面溫度。

Tad由進口總溫決定[13]。采用文獻[14]中的方法獲取q″。該方法相比其他方法更加高效，并且已經被大量學者應用，如Ma等[12]和Zhang等[7]。獲得渦輪葉片葉尖及腔底的每一個像素點的熱流密度和溫度，根據公式1，換熱系數是熱流密度與溫度的斜率。進一步獲得整個葉尖的換熱系數分布。

2 數值模擬設置

2.1 數值模擬方法

運用ANSYS CFX進行數值模擬計算。計算域由單葉片通道及周期面組成。計算邊界條件設置與實驗條件相同。第一層網格厚度為1×10-6m。所有的固體壁面設置為無滑移壁面條件。數值模擬計算換熱系數h方法如式(2)所示：

(2)

2.2 湍流模型選擇

將S-A(spalart-allmaras)和SST(shear stress transport)兩個模型的計算結果與實驗結果進行對比。圖3分別展示了S-A、SST以及實驗下葉尖換熱系數分布圖。由于相機拍攝角度限制，實驗結果中未顯示葉片前緣換熱系數。

圖3 葉尖換熱系數分布Fig.3 Contours of HTC distribution

從圖3中可知，在葉尖吸力側以及腔底前半部分區(qū)域，對于換熱系數的預測，SST模型吻合度更高。因此，最終使用SST模型進行數值模擬。

2.3 網格無關性驗證

采用ICEM進行結構化網格生成，如圖4所示，網格最小角度大于15°，不同網格塊之間平緩過渡。該網格內每個六面體塊的雅克比行列式值均大于0.6。

圖4 葉尖網格拓撲Fig.4 Mesh topology

研究主要關注于葉尖換熱情況，因此網格無關性驗證工作針對了葉頂間隙的網格節(jié)點數。表2為不同葉頂間隙網格節(jié)點數下葉尖平均換熱系數和葉尖平均y+。

表2 網格無關性驗證Table 2 Mesh independence verification

從表2中可以看出，葉尖平均y+都接近1，而當葉尖網格節(jié)點數從15上升到25時，葉尖換熱系數有較大的變化，而從25上升到35后，葉尖換熱系數幾乎不變。最終采用網格數為6.2×106的網格。

3 結果分析

3.1 槽結構對氣動性能影響

在式(3)中定義R為槽的高度與凹槽深度之比：

(3)

式(3)中：Lgroove為槽的高度；Lcd為凹槽的深度。

在壓力側開槽的位置位于8%弦長至20%弦長，如圖5所示。

圖5 槽結構示意圖Fig.5 Model of the groove structure

為了研究氣動性能的變化情況，對比不同情況下葉柵出口總壓損失系數(尾緣后10%弦長處)。總壓損失系數定為如式(4)。

(4)

式(4)中:P0,i進口總壓為165 000 Pa；P0,e為出口總壓。圖6展示了不同R下，葉柵通道出口截面總壓損失系數圖(50%葉高以上)。

圖6 出口總壓損失系數分布圖Fig.6 Contours of total pressure loss coefficient

圖7 葉柵通道滯止壓比分布圖Fig.7 Contours of stagnation pressure ratio

從圖6中可以看出，紅色區(qū)域為損失嚴重的區(qū)域。隨著槽高度的增加，葉柵出口的總壓損失明顯減少。為研究造成該現象的原因，在葉柵通道30%、50%、70%和90%弦長處設置了切平面。對于無冷氣的情況下，通過局部滯止壓比(P0/P0,i)反映泄漏渦的強度。圖7對比了無槽結構和R=2/3的情況下，葉柵通道泄漏渦的強度。從圖7可以看出，當引入槽結構后，葉柵通道的滯止壓比升高，泄漏渦與通道渦強度降低，損失減少。槽結構的引進提高了渦輪葉柵的氣動效率。

為更加清晰地展現葉柵出口總壓損失系數的變化，圖8為不同情況下平均總壓損失系數沿葉高分布。

圖8 平均總壓損失系數沿葉高分布圖Fig.8 Average total pressure loss coefficient

從圖8中可以看出，在60%葉高以上，引入槽結構之后總壓損失系數明顯下降，并且隨著槽的高度增加，損失減少。引入槽結構能大幅改善渦輪葉柵氣動性能，在研究范圍內，氣動效率隨槽高度的增加而改善。

3.2 槽結構對換熱性能影響

通過數值模擬結果與實驗結果相互佐證，研究槽結構對葉尖換熱的影響。圖9為不同R下葉尖換熱系數分布。

圖9 葉尖換熱系數分布Fig.9 Contours of HTC distribution

從圖9中可以看出，數值結果與實驗結果均能發(fā)現引入壓力側槽結構可以使得腔底前半部分的高換熱系數有所降低，但會使得周圍的換熱系數有所上升。同時，葉尖壓力側換熱系數有所下降而吸力側換熱系數有所上升。

為了研究造成換熱系數變化的原因，對無槽結構和R=2/3情況下葉柵通道的流場進行了分析，如圖10所示。圖10中，從葉頂間隙流過的氣流標為紅色，從壓力側進入腔內的標為藍色，沿著吸力側的流動標為黃色，從槽結構流入腔內的標為綠色。

圖10 葉柵通道流線圖Fig.10 Flow structures

從圖10中可以看出，當沒有槽結構存在時，腔底前半部分區(qū)域存在一個由于渦結構造成的“流動死區(qū)”，熱負載集中于該區(qū)域(在圖10中已被圈出)。然而，在壓力側開槽之后，“流動死區(qū)”不復存在。部分流體[圖10(b)中綠色流線]可以通過槽結構進入凹槽內部，破壞內部的渦結構，降低該區(qū)域的換熱系數，將集中的熱負載分散到周圍區(qū)域。當槽的高度增大時，通過槽結構進入凹槽的氣流量越大，熱負載分散的效果更明顯。因此當R增大時，腔底前半區(qū)域的換熱系數峰值降低。

4 結論

通過數值模擬及實驗，得出如下結論。

(1)對于渦輪氣動性能，當葉尖壓力側引入槽結構后，出口總壓損失明顯降低。同時，當槽的高度越高，總壓損失越少。

(2)對于渦輪葉尖換熱性能，葉尖壓力側引入槽結構后，腔底前半部分的高換熱區(qū)峰值降低，換熱性能改善。同時，葉尖壓力側換熱系數有所下降而吸力側換熱系數有所上升。

(3)當槽的高度增加，由壓力側的槽進入凹槽內部的氣流越多時，通過槽結構進入凹槽的氣流量增大，葉尖換熱性能改善效果明顯。