跨音速渦輪葉片吸力面氣膜冷卻特性研究

付仲議 余強

(1.中國航發湖南動力機械研究所，湖南株洲 412002；2.中小型航空發動機葉輪機械湖南省重點實驗室，湖南株洲 412002)

隨著航空發動機的發展，渦輪前溫度越來越高，為了保護渦輪葉片不被高溫損壞，在渦輪葉片的冷卻中廣泛使用了氣膜冷卻技術，氣膜冷卻即為在葉片表面開有氣膜孔，冷卻氣體從氣膜孔噴出貼附在葉片表面形成一層冷氣膜，避免高溫燃氣與葉片表面直接接觸，達到保護葉片的作用。通常會在葉片表面不同位置處布置多排氣膜孔，使氣膜完整均勻地覆蓋在葉片表面。為了進行葉片表面多排氣膜孔的整體冷卻設計，必須首先對葉片不同位置處單排氣膜孔的冷卻特性進行研究。Jiang[1]研究了在低速風洞中氣膜冷卻效率受孔位的影響。Winka[2]等人研究了圓形氣膜孔冷卻效率受葉片表面曲率的影響，發現凸面曲率處的冷卻效率更高，凹面曲率處的冷卻效率較低。但是在高速風洞中，對渦輪葉片上不同位置處單排簸箕形氣膜孔冷卻效率的研究較少，本文將通過實驗得到渦輪導葉吸力面上接近真實氣動條件下，不同位置處單排簸箕形氣膜孔的氣膜冷卻特性。

1.實驗裝置及方法

實驗件氣膜孔在吸力面取3個孔位的簸箕孔，冷卻氣體從葉片內部圓柱型腔向氣膜孔供氣。吸力面從前緣至尾緣為氣膜孔1至氣膜孔3，分別位于某型發動機渦輪導向葉片的吸力面7%，12%，25%相對弧長位置，共分為3個實驗件。圖1給出了各位置簸箕孔的詳細的結構參數，其中孔1的孔徑D為0.95mm，孔間距P/D為7.5，擴張段展向角β為20°，流向角α為40°；孔2和孔3的孔徑D均為0.85mm，孔間距P/D為8.5，擴張段展向角為β20°，流向角為α30°。換熱實驗中由于對主流進行加熱代價較高且難以實現，所以采用反向熱流法，即主流為常溫，而在實驗前用熱氣將實驗葉片加熱至溫度均勻。

圖1 簸箕形氣膜孔結構圖

2.實驗工況及數據處理

2.1 實驗工況

實驗葉柵進口雷諾數和吹風比的定義分別為：

式（1）中ρ1，V1，μ1分別為葉柵入口的氣流密度、速度和動力粘性系數，L為葉柵弦長；式（2）中（ρV）g和（ρV）sec分別為主流和二次流的當地密度和速度乘積。實驗中主流雷諾數Re保持為4.0×105，氣膜孔的冷氣吹風比M為0.6，1.2，1.5和2.1。

2.2 數據處理

本實驗是基于一維半無限大假設條件下的瞬態實驗。絕熱氣膜冷卻效率定義為：其中Taw為絕熱壁溫，Tgr為主流恢復溫度，Tc為冷氣溫度。

3.結果分析

3.1 冷卻效率測量結果

圖2給出了Re=4.0×105下各個位置處氣膜冷卻效率隨吹風比變化的實驗結果。橫坐標中x為孔后測點位置距離氣膜孔的距離，d為孔徑。從圖中可以看出，除了氣膜孔1的近孔區域（x/d＜30）的吹風比增大會使冷卻效率降低，其余各位置吹風比增大會使冷卻效率先升高后降低?？孜?和孔位3處在大吹風比(M≥1.5)時，與小吹風比相比，近孔區域的冷卻效率明顯減小，而孔位2在大吹風比下，在近孔區域仍能保持較高冷卻效率，這說明與氣膜孔1和3相比，位置2處冷氣出流后對壁面擁有更好的貼附性，在較大吹風比下，這一特性尤為明顯。不過隨著孔后距離的增大，孔位2的冷卻效率下降較快，在x/d＞80的區域已與其他孔位的冷卻效率差別不大。在遠離孔的下游區域（x/d＞30），各排氣膜孔的冷卻效率隨著吹風比的增大而先增大后減小，在M=1.2時達到最大值。需要注意的是，在較小吹風比（M=0.6）下，雖然近孔區域可以得到較高的冷卻效率，但是隨著與孔距離的增加，冷卻效率迅速降低，以至于在遠離孔的下游處，其冷卻效率低于較大吹風比下的冷卻效率。對于氣膜孔1和3，當吹風比增大到1.5時，氣膜冷卻效率的衰減速度逐漸減緩，當M=2.1時，冷卻效率基本沒有明顯的減小，孔位1的冷卻效率在x/d=40處反而有回升的趨勢。

圖2 吹風比對各個氣膜孔冷卻效率的影響;Ma=0.9

3.2 計算結果分析

圖3給出了各位置處氣膜孔出口截面溫度場和速度矢量分布的計算結果，可對不同位置處氣膜孔的冷卻效率實驗結果進行機理分析。本文采用SST（shear stress transport）k-ω模型，近壁面采用增強型壁面函數法，溫度采取反向熱流，二次流進口溫度為400K，主流進口溫度為300K，與實驗條件基本一致。從圖3中的氣膜孔出口截面溫度場和速度矢量分布可以看出，3個位置氣膜孔出流后，在氣膜孔出口處的壁面上方均形成了一對反向旋轉的對渦，這與圓柱形孔氣膜冷卻的流動特性相似。氣膜孔1和氣膜孔3相比，氣膜孔2出口處的反向對渦距離較遠，位于二次流的邊緣區域，反向渦對二次流和主流的摻混以及對冷氣的抬升效果相對較小，二次流中心區域能夠較好的貼附壁面。而氣膜孔1和氣膜孔3出口處的反向對渦位于二次流中心區域，對二次流的抬升作用明顯，二次流中心區域已明顯脫離壁面。

圖3 氣膜孔出口截面速度矢量和溫度分布;M=1.2

4.結語

本文研究了渦輪導葉吸力面不同位置處單排簸箕形氣膜孔的氣膜冷卻特性，結論如下：

靠近前緣的氣膜孔1在近孔區域（x/d＜20）冷卻效率隨著吹風比的增大而減小，氣膜孔2和3的冷卻效率在整個孔后區域均隨著吹風比的增大先增大后減小，中等吹風比（M=1.2）工況下，整體冷卻效率較高，氣膜冷卻效果最好。

位于吸力面凸面的氣膜孔2處表面曲率和主流加速度都較大，氣膜對壁面的貼附性較好，即使在大吹風比下，在整個孔后區域都能有較高的冷卻效率，這說明在葉片吸力面凸面處開設氣膜孔冷卻效果較好。