利用空气幕冷却提升涡轮叶栅端壁气膜冷却有效度的实验研究.pdf
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1、第5 7卷 第8期2 0 2 3年8月西 安 交 通 大 学 学 报J OUR NA LO FX IANJ I AO T ON GUN I V E R S I T YV o l.5 7 N o.8A u g.2 0 2 3.*利用空气幕冷却提升涡轮叶栅端壁气膜冷却有效度的实验研究杨星1,2,赵强3,吴航1,2,丰镇平1,2(1.西安交通大学能源与动力学院,7 1 0 0 4 9,西安;2.陕西省叶轮机械及动力装备工程实验室,7 1 0 0 4 9,西安;3.西安航天动力研究所,7 1 0 1 0 0,西安)摘要:针对涡轮叶栅压力面侧由于横向压力梯度及复杂二次流导致的冷却难题,通过在端壁通道进口
2、靠近压力面侧布置两排离散气膜孔,形成具有独特冷却特征的空气幕冷却,采用压力敏感漆测量技术(P S P)详细研究了空气幕冷却在端壁表面的冷却分布规律及其对通道中离散气膜孔冷气射流的影响。在此基础上,将空气幕冷却应用于端壁气膜冷却形成了改进设计方案。实验结果表明,空气幕冷却具有与通道中离散气膜冷却完全不同的冷却特征,其几乎不受叶栅通道中横向压力梯度的影响,可以有效冷却端壁通道的压力面侧甚至喉部及下游区域;随着冷气量的增大,空气幕冷却的冷却效果不断增强,并会提高下游端壁通道中离散气膜孔的冷却性能;与端壁原型气膜冷却方案相比,在冷气量相同的情况下,改进方案将端壁表面的面积平均气膜冷却有效度提高了3 3
3、%。叶栅出口的流场结构表明,改进方案还可以削弱叶栅的气动损失。关键词:航空发动机;涡轮端壁;气膜冷却;空气幕冷却;气动损失中图分类号:V 2 3 1.1 文献标志码:AD O I:1 0.7 6 5 2/x j t u x b 2 0 2 3 0 8 0 0 1 文章编号:0 2 5 3-9 8 7 X(2 0 2 3)0 8-0 0 0 1-1 0A nE x p e r i m e n t a l I n v e s t i g a t i o no f I m p r o v i n gF i l mC o o l i n gE f f e c t i v e n e s s f o r
4、T u r b i n eV a n eE n d w a l l sU s i n gC u r t a i nC o o l i n gYANGX i n g1,2,Z HAOQ i a n g3,WU H a n g1,2,F E NGZ h e n p i n g1,2(1.S c h o o l o fE n e r g ya n dP o w e rE n g i n e e r i n g,X ia nJ i a o t o n gU n i v e r s i t y,X ia n7 1 0 0 4 9,C h i n a;2.S h a a n x iE n g i n e
5、e r i n gL a b o r a t o r yo fT u r b o m a c h i n e r ya n dP o w e rE q u i p m e n t,X ia n7 1 0 0 4 9,C h i n a;3.X ia nA e r o s p a c eP r o p u l s i o n I n s t i t u t e,X ia n7 1 0 1 0 0,C h i n a)A b s t r a c t:D u et oc i r c u m f e r e n t i a lp r e s s u r eg r a d i e n t sa n dc
6、 o m p l i c a t e ds e c o n d a r yf l o w s,p r e s s u r e-s i d er e g i o n so f t u r b i n ee n d w a l l sa r eo n eo f t h em o s td i f f i c u l t-t o-c o o l r e g i o n s.T h i ss t u d ya i m st os o l v e t h i s c o o l i n gp r o b l e mb yp l a c i n g t w o r o w so f d i s c r e
7、 t e f i l mh o l e s i n t h eu p s t r e a mr e g i o no f t h ee n d w a l l p a s s a g e i n l e tn e a r t h ep r e s s u r es i d e t oo b t a i nc u r t a i nc o o l i n gw i t hu n i q u ec o o l i n gc h a r a c-t e r i s t i c s.Ap r e s s u r es e n s i t i v ep a i n t(P S P)t e c h n i
8、 q u ew a si m p l e m e n t e dt oe x a m i n ef i l mc o o l i n gp a t t e r n so f c u r t a i nc o o l i n go v e r t h e e n d w a l l s u r f a c e s a n d i t s e f f e c t so nd i s c r e t e f i l mi n j e c t i o nw i t h-i nt h ep a s s a g e i nd e t a i l.F u r t h e r m o r e,a no p t
9、 i m i z e de n d w a l l f i l mc o o l i n gs c h e m ew a so b t a i n e db ya p p l y i n gc u r t a i nc o o l i n gt ot h ee n d w a l l.T h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t sr e v e a l t h a tc u r t a i nc o o l i n gh a sq u i t ed i f f e r e n t c o o l i n gp a t t e r n sc o m p a
10、r e dw i t hd i s c r e t e f i l mc o o l i n gw i t h i nt h ep a s s a g e.T h ec u r-t a i nc o o l i n gw a s s l i g h t l y i n f l u e n c e db y t h ep r e s s u r eg r a d i e n t s c i r c u m f e r e n t i a l l ya c r o s s t h ee n d w a l l*收稿日期:2 0 2 2-1 1-2 7。作者简介:杨星(1 9 9 0),男,副教授,
11、硕士生导师;丰镇平(通信作者),男,教授,博士生导师。基金项目:国家科技重大专项资助项目(2 0 1 7-0 0 0 3-0 0 2 7)。网络出版时间:2 0 2 3-0 4-0 4 网络出版地址:h t t p s:k n s.c n k i.n e t/k c m s/d e t a i l/6 1.1 0 6 9.T.2 0 2 3 0 4 0 4.1 4 4 3.0 0 3.h t m l西 安 交 通 大 学 学 报第5 7卷 h t t p:z k x b.x j t u.e d u.c n p a s s a g e,r e s u l t i n g i ne f f i c
12、 i e n tc o o l i n gf o rt h ep r e s s u r e-s i d er e g i o na n de v e nf o rt h ee n d w a l lp a s-s a g e t h r o a t a n d i t sd o w n s t r e a mr e g i o n s.I n c r e a s i n gc o o l a n t r a t e se n h a n c e s f i l mc o o l i n ge f f e c t i v e-n e s s f o rc u r t a i nc o o l
13、i n ga n di m p r o v e sf i l mc o o l i n gp e r f o r m a n c eo ft h ed i s c r e t ef i l mh o l e sw i t h i nt h ee n d w a l l p a s s a g e.T h eo p t i m i z e dc o o l i n gs c h e m e i m p r o v e sf i l mc o o l i n ge f f e c t i v e n e s so v e rt h ee n d w a l lb y3 3%r e l a t i
14、v e t oab a s e l i n ec o o l i n gc o n f i g u r a t i o n.A d d i t i o n a l l y,f l o ws t r u c t u r e sa t t h ev a n ec a s c a d ee x i td e m o n s t r a t et h a t t h eo p t i m i z e dc o o l i n gc o n f i g u r a t i o nr e d u c e st h ec a s c a d ea e r o-d y n a m i c l o s s e
15、s,s o m e w h a t.K e y w o r d s:a e r o-e n g i n e;t u r b i n ee n d w a l l;f i l mc o o l i n g;c u r t a i nc o o l i n g;a e r o d y n a m i c l o s s 航空发动机高压涡轮端壁附近的流动结构和其表面的传热与冷却是整个涡轮叶栅中最为复杂的区域之一。随着涡轮进口燃气温度的不断升高,以及低排放燃烧室出口径向温度剖面越趋平缓,端壁承受的热负荷日益增强。由于高压涡轮端壁附近的流动结构十分复杂,马蹄涡、通道涡以及角涡等多尺度涡系结构与横向压力梯
16、度、二次流相互干涉与叠加,导致端壁表面的热负荷具有复杂且独特的分布特征,同时也使得常规的气膜冷却设计方案应用于端壁时通常会出现冷气难以覆盖的冷却“死区”。这些“死区”主要集中在端壁与叶片的角区、端壁通道的压力面侧和喉部及其下游等二次流比较复杂和强烈的区域1。由于二次流的不利影响,即使是在这些区域布置气膜孔往往也难以达到有效冷却的目的。因此,高压涡轮端壁的高效气膜冷却设计始终是涡轮叶片冷却研究的技术难点,发展面向高压涡轮端壁的独特气膜冷却方法也是突破未来更高燃气进口温度高压涡轮研发的关键技术。目前,涡轮端壁常见的两种气膜冷却方式是端壁上游的盘腔泄漏流冷却和通道中的离散气膜孔冷却2-5。盘腔泄漏流
17、的位置是固定的,且冷气量有限,因此其在端壁上覆盖的区域有限。端壁通道中离散气膜孔的设计相对灵活,可根据冷却的需要,对气膜孔的结构、数量、布局以及吹风比等几何和气动参数进行调整6。此外,在端壁通道中还可能存在装配间隙,虽然此间隙同样存在泄漏流,但由于其冷气量非常小且冷气与主流的掺混十分强烈,其对端壁的冷却效果十分有限7-9。泄漏流冷却与离散气膜冷却虽然都属于气膜冷却,但二者在端壁表面上表现出的换热与冷却特征却有十分明显的差异。一方面,泄漏流的冷却效果会随着冷气量的增大而增大,而离散气膜冷却则存在最佳吹风比;另一方面,泄漏流对端壁换热的影响较小,在某些情况下甚至还会削弱端壁表面的换热,而离散气膜冷
18、却则会强化气膜孔下游端壁表面的换热。然而,无论是泄漏流还是离散气膜冷却,在横向压力梯度的作用下,二者均会朝着端壁通道的吸力面侧迁移,从而导致压力面侧的区域难以得到有效的冷气覆盖1 0。为此,学者提出利用壁面微肋来削弱横向压力梯度的影响,但是这同时也增强了壁面的换热,并导致叶栅气动损失增加1 1-1 2。在端壁上游泄漏流的实验研究中,研究者曾在端壁通道进口布置单排或多排离散气膜孔来模拟泄漏流,同时也是为了抑制通道中的涡系结构,但是实验结果发现,除了改变端壁通道中的流动结构外,其冷却特征与泄漏流和端壁通道中的离散气膜冷却存在非常明显的区别1 3-1 7,端壁进口离散气膜孔的冷气射流动量较大,且出流
19、更加均匀,受通道中横向压力梯度的影响较小,因此可以覆盖端壁下游较远的区域。正是由于较其他两种冷却方式具有独特的冷却特征,端壁通道进口离散气膜冷却逐渐被视为一种特殊的端壁气膜冷却方式而受到关注,并被命名为“空气幕冷却”。虽然公开文献中已有部分关于空气幕冷却的研究,但主要针对空气幕冷却自身开展研究1 8-1 9,而没有考虑其与上游泄漏流和下游离散气膜冷却这两种最为常见的端壁气膜冷却方式的相互作用,这与端壁气膜冷却的实际工程设计需求明显不符。为了满足下一代某型航空发动机研发对高压涡轮第一级导叶端壁高效气膜冷却的迫切需求,本文在掌握原型端壁气膜冷却特征的基础上2 0,有针对性地在端壁进口靠近压力面侧布
20、置两排离散气膜孔形成空气幕冷却,分析了其冷气覆盖规律,并详细研究了空气幕冷却对端壁通道压力面侧冷气射流的干涉作用;在此基础上,基于空气幕冷却对端壁原型气膜冷却方案进行了改进设计并将其冷却性能与原型端壁进行了实验验证与对比,以期为下一代某航空发动机高压涡轮端壁的高效气膜冷却工程设计提供借鉴与指导。2 第8期杨星,等:利用空气幕冷却提升涡轮叶栅端壁气膜冷却有效度的实验研究 h t t p:z k x b.x j t u.e d u.c n 1 实验方法1.1 端壁气膜冷却实验段端壁气膜冷却实验段位于由4台压缩机提供压缩空气的开式平面叶栅风洞中,如图1所示。为了保证流动的周期性,实验段由4支静叶组成
21、,构成3个叶栅流道,中间流道为端壁气膜冷却的测量区。静叶由某航空发动机高压涡轮第一级静叶1 0%叶高处的叶型拉伸放大而成。放大后的叶片轴向弦长Ca x为9 8.3mm,展弦比、节弦比分别为1.4 6、1.2 4。叶片的几何进气角为0、出气角为7 3。最外侧两支叶片尾缘下游布置有可移动的尾缘板,用于调节叶栅流道的周期性。叶栅流道的周期性通过中间两支叶片中叶展压力面和吸力面上布置的静压孔监测。为了便于使用光学测量技术开展测量,实验段的所有其他壁面均为有机玻璃。叶栅流道的周期性结果和实验台的更多细节可参考文献2 0-2 1。图1 端壁气膜冷却实验段F i g.1 T e s t s e c t i
22、o nf o r t u r b i n ee n d w a l l f i l mc o o l i n g端壁气膜冷却的供气腔根据气膜冷却方案可设置多个独立的供气腔。每个供气腔由单独的冷气管路与高压气瓶相连,每个供气腔的冷气量采用质量流量控制器独立地控制和测量。为了使得冷气与主流的密度比更接近实际条件,实验采用C O2作为冷气。端壁表面绝热气膜冷却有效度的测量采用压力敏感漆(P S P)技术,因此为了保证冷气温度与主流相等(温差小于0.1),冷气管路上还安装了气体加热器以调节冷气温度。实验段叶栅进口来流的温度和速度采用热电阻P T-1 0 0和热线风速仪D a n t e cC T A在
23、叶栅前缘上游0.7 6Ca x处测量,主流来流温度为2 9 3K。图2给出了速度沿无量纲叶高方向z/S的分布,其速度分布为采用测量位置处的最大速度Um a x=1 7.6m/s进行无量纲化后的结果。根据进口速度的平均值和叶片弦长得到进口雷诺数为1.6 31 05,出口雷诺数为5.5 21 05。为了模拟实际的进口湍流度,在实验段的叶栅上游布置有湍流栅格,分析热线风速仪测得的速度随时间的脉动结果,沿叶高方向的平均湍流强度为1 0.8%。图2 叶栅进口上游0.7 6Ca x处的速度分布F i g.2 V e l o c i t yp r o f i l ea t0.7 6Ca xu p s t r
24、 e a m o ft h ec a s c a d e i n l e t1.2 端壁气膜冷却实验件为了利用空气幕冷却来提高端壁表面的气膜冷却有效度,首先研究了端壁原型气膜冷却方案的冷却特征,端壁气膜冷却设计方案如图3所示,可知端壁由上游泄漏流和通道中离散气膜孔的冷气射流来冷却。泄漏流槽缝位于端壁进口上游0.1 6Ca x处,宽度为2.8 7mm,射流角为3 5;在端壁通道中,压力面侧沿轴向布置有6排共1 2个圆柱形气膜孔,吸力面肩部区布置有4个圆柱形气膜孔,所有气膜孔的直径均为1.5mm,但是每个气膜孔的射流角和复合角均有所不同:压力面侧气膜孔的射流角为4 8 6 1,复合角由压力面指向吸
25、力面,为3 2 3 6;吸力面侧气膜孔的射流角为4 6 4 9,复合角由吸力面指向压力面,为3 8 4 0。端壁通道的压力面侧虽然布置有多排气膜孔,但是文献2 0 已表明,在压力梯度的作用下,压力面侧的气膜冷却难以有效冷却该区域。因此,为了增大冷气在压力面侧的覆盖面积及冷却有效度,经详细设计后,在端壁通道进口靠近压力面侧布置了3西 安 交 通 大 学 学 报第5 7卷 h t t p:z k x b.x j t u.e d u.c n 2排共1 3个圆柱形气膜孔,形成空气幕冷却。两排孔之 间 的 距 离 为3.0m m,相 邻 孔 之 间 的 距 离 为4.5m m,孔径为1.5mm。同时,为
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