分腔流量比對渦輪曲端壁表面冷卻特性實驗

楊寓全，劉存良，張杰，黃蓉

西北工業大學 動力與能源學院，西安 710072

隨著科學技術的進步，現代的航空發動機的渦輪進口溫度變得越來越高，同時燃燒室出口溫度隨著設計技術的進步也愈來愈來均勻，這使得燃氣渦輪入口第1級靜葉端壁表面的熱負荷急劇增大。為了確保燃氣渦輪第1級靜葉端壁的安全運行，需要對其進行充分的冷卻保護。對于端壁表面最常見的冷卻方式就是氣膜冷卻。

自1970年代初以來，氣膜冷卻一直都是可以將渦輪部件工作溫度降低至渦輪材料極限溫度之下的最有效方法之一。由于端壁表面的幾何形狀比較復雜，同時端壁表面存在復雜的三維流動，因此渦輪端壁表面的氣膜冷卻特性研究一直都是一個具有挑戰性的研究課題。

端壁表面的氣膜冷卻特性會受到很多因素的影響，例如：氣膜孔的幾何結構[1-4]，主流湍流度[5]，密度比[6]，端壁造型[7-8]，主流雷諾數[9]。而冷卻流體的流量比會顯著地影響端壁表面的冷卻特性。Shiau等[10]利用PSP(Pressure-Sensitive Paint)技術測量了在不同的流量比與密度比下曲端壁表面的氣膜冷卻效率的分布，研究表明流量比越高，冷卻流體在端壁表面的冷卻軌跡就越長，這表明隨著流量比增大，會使得端壁表面能得到更好的防護效果；同時隨著密度比的增大，氣膜孔的橫向覆蓋范圍變寬，端壁表面整體的氣膜覆蓋效果也會更好。Chowdhury等[11]使用PSP技術研究了流量比與密度比對不同的孔排布置的平端壁表面的氣膜冷卻特性的影響，實驗結果表明隨著端壁進口泄漏流的流量比的增加，氣膜冷卻效率也在逐漸增加，即使在端壁的下游區域仍然有所增加；而密度比的增大使得端壁的上游區域的冷卻效率有明顯的增加，同時不同的孔排設計的最大冷卻效率對應的密度比也是不一樣的。Li等[12]通過PSP技術和溫敏漆技術研究了流量比對平端壁表面的氣膜冷卻效率與綜合冷卻效率的影響，研究表明隨著冷卻流體流量的增加，氣膜冷卻效率會有明顯的增加。由于內部冷卻的影響，綜合冷卻效率在端壁表面的分布與氣膜冷卻效率相比更加均勻。

Zhang和Jaiswal[13]通過PSP技術測量了5個不同的質量流量下在平端壁表面的氣膜冷卻效率分布，研究表明氣膜冷卻效率隨質量流量的增加非線性增加，在較低的質量流量比下，主流在近壁面流場中占主導地位，所以冷卻效率低；而在較高的質量流量比下，冷卻射流的動量主導了近壁流場，所以冷卻效率較高。El-Gabry等[14]使用PSP技術研究了端壁前緣上游氣膜孔排的噴射角與流量比對平端壁表面氣膜冷卻特性的影響，研究表明氣膜冷卻效率并不會隨著流量比的增加呈現出線性增加的趨勢，同時端壁表面的冷卻效率隨著噴射角的增大會先減少后增大，端壁表面的冷卻效率在噴射角等于40°時達到最低點。Chowdhury等[15]利用PSP技術測量了不同流量比和密度比下帶有泄漏流和離散氣膜孔的端壁表面的氣膜冷卻效率分布，研究結果表明隨著泄漏流的流量比的增加，靠近壓力側的端壁表面的冷卻區域面積變大了，同時通道下游區域的氣膜覆蓋范圍也變大；密度比的增大使得端壁通道的上游區域的冷卻效率增大，但增加的值十分有限。總體而言，流量比的增加使得冷氣的冷卻范圍變廣，冷卻效率增加，但同時也會引起其他問題，例如相應的傳熱量增加和空氣動力學方面的損失。Shiau等[16]利用PSP技術測量了泄漏流的流量比與密度比對端壁表面的冷卻效率的影響，研究發現泄漏流流量比的增加使得端壁表面的冷卻效率變大，同時冷卻流體的覆蓋面積也變得更大更均勻。但是，端壁表面的冷卻效率是隨著流量比先增大后減少，當流量比為1%時，端壁表面的冷卻效率達到最大值；密度比的影響與流量比類似，當密度比為1.5時，端壁表面的冷卻效率達到最大值。

Ornano和Povey[17]通過紅外技術與數值計算研究了端壁前緣上游氣膜孔排流量比對前緣流場的影響，研究結果表明冷卻流體的動量比較低時，通道內的二次流動在近壁面會完全抑制了冷卻流體的流動，使得冷卻流體在端壁前緣區域覆蓋效果很差，當動量比增大到一定程度，在端壁的近壁面流場，冷卻流體占主導作用時，此時冷卻流體在端壁前緣區域的冷卻效果會突然增強。

綜上所述，盡管有關流量比對于端壁表面的冷卻特性的影響研究已經很多，但上述絕大部分研究的研究對象有2個共同的特征：① 研究對象均為平板端壁表面；② 都是在低速風洞下進行。而在真實的航空發動機的渦輪端壁部分中，端壁形狀均為軸對稱曲端壁，文獻[7]表明在相同冷氣流量下，平板端壁表面的氣膜冷卻效率要明顯高于軸對稱曲端壁表面的氣膜冷卻效率，而且真實航空發動機對應的工況均為大雷諾數，所以上述結論并不適用于真實的航空發動機的端壁部分的冷卻研究。同時在國內外的相關研究文獻中，關于在高速風洞下冷氣流量比對于軸對稱曲端壁的冷卻特性的影響的相關研究是十分有限的。而在本文的高速風洞中，對應工況的雷諾數為34萬，為發動機真實工況對應雷諾數，同時本實驗所用端壁形狀為某型核心機渦輪的導葉端壁真實模型等比例放大2倍而成的真實形狀，因此本實驗的研究結果可直接應用于航空發動機渦輪端壁在真實工況下的冷卻結構的設計領域。為了研究接近發動機真實工況的軸對稱曲端壁表面不同位置對應的分腔流量比對其表面的冷卻特性的影響，本文通過高速風洞和PSP技術測量了在不同的分腔流量比下，軸對稱曲端壁表面的氣膜冷卻效率的詳細分布。

1 實驗系統

1.1 實驗裝置

圖1為本實驗采用的高速風洞實驗臺示意圖，由主流系統、二次流系統和數據采集系統組成。主流系統由氣源、送風管道、實驗高速風洞和通風管道部分組成。主流氣源由TAS-250型雙極羅茨鼓風機提供，該風機最大升壓147 kPa，進氣流量1.8 kg/s。送風管道為公稱直徑為250 mm 的鋼管，在送風管道的前后裝有截止閥分別與風機和實驗高速風洞連接。

實驗高速風洞由4部分組成，分別是擴張段、穩壓段、收縮段和實驗段，穩壓段中裝有蜂窩管，以起到均勻流動的作用。實驗段為四葉片三通道形式。二次流系統由氣源、過濾器、加熱器、流量計和管道連接而成，氣源使用空氣壓縮機，將壓力保持在0.5 MPa，通過管道加熱器后，連接壓縮空氣高精密過濾器，在分為3路且分別連接Alicat流量計，最后通過波紋管與端壁表面各氣膜分腔相連接。

數據采集系統，分為溫度采集系統、壓力采集系統和氣膜冷效數據采集系統。溫度系統由多個K型熱電偶、溫度采集模塊(7018)、溫度傳遞模塊(7020)和計算機組成。壓力采集系統通過壓力掃描器將計算機與實驗通道連接，壓力掃描器自動檢測實驗通道壓力并轉化為電信號傳入計算機，在計算機內通道應用的軟件處理并記錄壓力數據。氣膜冷卻數據采集系統，由二極管光源、電荷耦合器件(CCD)相機和計算機組成，CCD相機將拍到的照片數據傳入計算機，在計算機內通過MATLAB程序處理得到氣膜冷卻效率分布數據。

實驗段為四葉片三葉柵通道，整體由丙烯腈-丁二烯一苯乙烯塑料(ABS)材料制成，并在實驗段的頂壁安裝了由有機玻璃制成的透明窗口，這是為了方便CCD相機拍攝端壁表面的冷卻效率數據。

端壁表面的各個氣膜孔的具體分布與分腔分布如圖2所示。端壁表面總計布有36個圓柱氣膜孔，并在距葉片前緣上游方向50 mm的位置布置了10 mm×136 mm的矩形狹縫出口用以模擬槽縫流，在端壁表面下有3個分腔，分腔1用于控制槽縫流的流量，分腔2控制葉柵通道喉部上游的氣膜孔流量，分腔3控制葉柵通道喉部下游的氣膜孔流量，并由阿里卡特流量計分別控制這3個分腔的冷氣流量。

圖2 氣膜孔排列示意圖

1.2 測試工況

在本實驗中,實驗葉片為某型核心機渦輪的導葉真實模型等比例放大2倍后的葉片，主流雷諾數(特征尺寸為葉片的中截面弦長)為340 000，葉片中截面弦長為92 mm，依據雷諾數和實驗時測得的壓力數據集通道面積，可計算得到主流的質量流量為0.853 1 kg/s，本文通過在通道上游布置皮托管測量入口速度，以便實驗時可隨時監控主流雷諾數的變化。為了消除溫度對實驗結果的影響，實驗中使用加熱器對二次流進行加熱，令二次流與主流均保持在297±0.1 K。同時本文中的冷卻流體流量以與主流的質量流量比值(MFR)作為量度標準,其定義如式(1)所示。同時本文各實驗的工況已詳細列在表1中。表1中某分腔供氣時其余兩腔不供氣。

表1 測試工況

(1)

2 PSP技術

PSP技術最初被應用于壁面靜壓的測量，根據傳熱傳質類比原理又被推廣為氣膜冷卻研究中氣膜冷卻效率的測量[13]，PSP的發射光的強度是隨涂料表面的氧氣分壓遞減的函數，可將修正背景噪聲后的光強比和氧氣分壓比數據進行擬合，從而獲得兩者之間的定量關系式

(2)

式中：IR和(PO2)R分別為參考條件下(有光無風)的發射光強度和氧氣分壓；IB為背景條件下(無光無風)的發射光強度；I和PO2分別為實驗條件下(有光有風)的發射光強度和氧氣分壓；系數A、B、C、D可通過標定實驗測得，本實驗溫度303 K條件下的標定表達式的系數分別為0.220 8、0.703 3、0.220 5和-0.137 8。

實驗過程中，通過調節主流水冷與二次流加熱罐將主流溫度Tg和二次流溫度Tc的溫差均控制0.3 K以內。待流動狀態穩定后，在主流為空氣、二次流為空氣的實驗條件獲得圖像(IO2)air；在主流為空氣、二次流為氮氣的實驗條件獲得圖像(IO2)N2+air；在無風有光的參考條件和無風無光的黑暗條件下分別獲得圖像IR和IB，結合標定表達式，可獲得待測表面的氣膜冷卻效率。

本實驗的實驗誤差主要來源于科學級CCD相機拍攝端壁表面的光照強度誤差，將本實驗中的直接測量值與間接測量值的函數關系代入文獻[18]中的實驗誤差傳遞公式可計算得到本實驗的測量的氣膜冷卻效率η值的最大誤差不超過5.6%。

3 結果與討論

3.1 槽縫流流量比對端壁表面的影響

圖3展示了當槽縫流(分腔1)的流量比分別為0.9%，1.27%，1.6%時端壁表面的氣膜冷卻效率(η)的分布云圖。如圖所示，總體來說，端壁表面各部分區域的氣膜冷卻效率都會隨著槽縫流流量比的增加而增大。隨著冷氣流量比的增加，冷氣在端壁表面的覆蓋范圍變廣，同時在相同區域的冷卻效果也有所提高。端壁表面的吸力側區域的氣膜冷卻效率明顯高于壓力側區域的氣膜冷卻效率，這是因為壓力梯度的存在導致流體會從壓力側向吸力側流動，這導致大部分冷卻流體會流向吸力側區域，因此壓力側區域的冷卻效率會比吸力側區域低很多。但隨著槽縫流流量比的增加，壓力側區域的冷卻效率也會逐漸增加，可以觀察到槽縫流流量比的增大會明顯改善壓力側區域的冷卻效率，而對于吸力側區域的增強卻并沒有那么明顯。從圖中還可以觀察到在比較靠近葉片壓力面的端壁表面的一小部分區域，哪怕槽縫流流量比增至最大時，端壁區域的絕大部分區域都會被冷氣覆蓋時，該區域仍然沒有被從槽縫噴出的冷氣覆蓋。(該部分區域的氣膜冷卻效率為0)。因此在端壁表面布置離散氣膜孔時，需要額外關注此區域，以防止此區域無法受到冷氣的有效保護而出現燒蝕現象。圖中端壁表面高冷卻效率區域的分布表明由于橫流的存在會導致冷氣的整體的冷卻軌跡會向吸力側方向偏移。

圖3 不同流量比(槽縫流)下端壁表面氣膜冷卻效率分布云圖

圖4 不同流量比下(槽縫流)端壁表面展向平均氣膜冷卻效率曲線

同時作者還發現一個有趣的現象：盡管隨著槽縫流量比的增加，葉柵前與葉柵通道內的端壁表面的冷卻效率會顯著增加，但即使在流量比較大時，葉柵后區域的冷卻效率也會迅速衰減至很低的水平，這是因為在葉柵后區域由于壓力側角渦與通道渦的作用會將冷卻流體從壁面卷起，進而導致該區域的氣膜冷卻效率急劇減少。

3.2 分腔2流量比對冷卻特性的影響

圖5展示分腔2在個不同流量比下端壁表面的氣膜冷卻效率分布。從圖中冷卻效率的變化可以看出，隨著分腔2流量比的增加，端壁表面的區域1，2，3的冷卻流體均會出現明顯的吹離壁面的情況。如圖所示，與槽縫流相比，布置在端壁表面的離散氣膜孔的覆蓋范圍十分有限，在葉柵通道的下半部區域大部分冷卻流體都匯聚在通道的中間區域，而在葉片的壓力側與吸力側區域只有少量的冷氣覆蓋。尤其是葉片的吸力側區域，盡管葉柵通道的端壁表面存在由壓力側向吸力側的橫向流動，端壁表面布置的離散氣膜孔噴出的冷氣會受橫流影響，冷卻軌跡會向吸力側方向偏轉，但也只有葉片的尾緣處的吸力側區域有少量冷卻氣體覆蓋，在其他部分的吸力側區域基本沒有冷氣的存在。

圖6是圖5對應的氣膜冷卻效率的展向平均曲線圖。如圖所示，隨著流量比增加，端壁表面整體的冷卻會隨之下降，依據實驗中測得的主流速度以及二次流質量流量計的數核算可得。當分腔2流量比從0.8%增至1.7%，由分腔2供氣的氣膜孔群的氣膜孔平均出口速度與主流速度之比從1.06 增加至2.27，依據文獻[19]的研究結果可知，圓柱形氣膜孔當吹風比大或于等于0.75時，從圓柱氣膜孔噴射的冷氣會由于冷氣射流動量過大而出現冷氣吹離壁面的現象(該文獻的吹風比的定義式為M=ρcVc/ρmVm,由于本文的主流密度ρm和二次流的密度ρc之比為1，所以本文的氣膜孔平均出口速度Vc與主流速度Vm之比就是吹風比)。由此可知，隨著分腔2的流量比的增加，端壁表面的氣膜冷卻效率會隨之降低，這是由于分腔2氣膜孔噴射的冷氣速度過高，大部分冷氣會直接射入主流，因此大部分冷氣都無法對端壁表面進行有效冷卻。當流量比從0.8%增加到1.25% 的冷卻效率的下降值明顯要大于流量比從1.25%升到1.7%，這是因為當流量比從0.8% 增至1.25%，圖5中的區域2的冷氣是從貼附壁面的狀態轉變為冷氣明顯地脫離壁面的趨勢，而當流量比從1.25%升到1.7%，區域2的冷卻效率盡管有所降低，但從冷卻效率的云圖可以看出，該區域僅僅只是冷氣脫離壁面的趨勢有所增強，相較之下所以必然是當流量比從0.8%增至1.25%，端壁表面的冷卻效率下降值更大。

圖5 不同流量比(分腔2)下端壁表面氣膜冷卻效率分布云圖

圖6 不同流量比下(分腔2)端壁表面展向平均氣膜冷卻效率曲線

3.3 分腔3流量比對冷卻特性的影響

圖7和圖8展示分腔3在個不同流量比下端壁表面的的氣膜冷卻效率分布及其對應的展向平均氣膜冷效曲線。如圖所示，當分腔3流量比為0.4%時，冷氣在端壁表面的冷卻效果是最好的。隨著分腔3的流量比從0.4%增加至0.64%時，氣膜孔噴射而出的冷氣會出現明顯的吹離壁面的現象，這會導致氣膜孔下游區域的氣膜冷卻效率急劇下降。當流量比進一步增加至0.8%，這種趨勢會進一步增強，這導致氣膜孔下游區域的氣膜冷卻效率會進一步降低，盡管其衰減量要遠小于當流量比從0.4%到0.64%時氣膜孔下游區域的氣膜冷卻效率衰減量。同時由于主流的作用，分腔3的噴射出的冷氣軌跡與主流的出流角方向一致。

圖7 不同流量比(分腔3)端壁表面氣膜冷卻效率分布云圖

圖8 不同流量比下(分腔3)端壁表面展向平均氣膜冷卻效率曲線

4 結 論

實驗在高速風洞通過PSP技術測量了端壁表面的槽縫流，分腔2和分腔3的在不同流量比下端壁表面的氣膜冷卻效率的詳細分布，實驗結果表明：

1)端壁表面的氣膜冷卻效率隨著槽縫流流量比的增加而增大，冷氣在端壁表面的覆蓋范圍也會隨之變廣。端壁表面的吸力側區域的氣膜冷卻效率明顯高于壓力側區域的氣膜冷卻效率，這主要是由于壓力梯度的存在使得冷氣會從壓力側向吸力側流動。槽縫流流量比的增大會明顯改善壓力側區域的冷卻效率，但對于吸力側區域的增強卻并沒有那么明顯。

2)隨著分腔2冷氣流量比的增加，葉柵通道喉部上游區域的冷卻流體會出現明顯的吹離壁面的情況。與槽縫流相比，布置在端壁表面的離散氣膜孔的冷氣覆蓋范圍十分有限，在葉柵通道的喉部下游區域大部分冷卻流體都匯聚在通道的中間區域，而在葉片的壓力側與吸力側區域只有少量的冷氣覆蓋。葉柵通道的端壁表面存在由壓力側向吸力側的橫向流動，端壁表面布置的離散氣膜孔噴出的冷氣會受橫流影響，冷卻軌跡會向吸力側方向偏轉，但也只有葉片的尾緣處的吸力側區域有少量冷卻氣體覆蓋，在其他部分的吸力側區域基本沒有冷氣的存在。

3)隨著分腔3的流量比的增加，對應氣膜孔噴射的冷氣會由于過高的噴射速度吹離壁面，導致端壁表面氣膜孔下游區域的冷卻效率急劇減小。