王 瑞 ，王 璐 ，楊衛(wèi)華

（1．中國航發(fā)湖南動(dòng)力機(jī)械研究所，湖南株洲412002；2．南京航空航天大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院，南京210016）

0 引言

隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能的不斷提高，渦輪前燃?xì)鉁囟扔鷣碛?，能否?duì)渦輪葉片進(jìn)行有效冷卻已成為制約渦輪葉片壽命及穩(wěn)定工作的關(guān)鍵。20世紀(jì)70年代，研究人員開始對(duì)渦輪葉片的氣膜冷卻特性進(jìn)行研究[1-3]，重點(diǎn)研究了吹風(fēng)比、密度比、曲率等對(duì)氣膜冷卻效率的影響。Nealy等[4]研究了2種靜葉在改變馬赫數(shù)、雷諾數(shù)、湍流強(qiáng)度等參數(shù)下全表面的溫度分布；Zhang等[5]采用壓敏涂層（Pressure Senstive Paint,PSP）測(cè)量技術(shù)，獲得了帶有氣膜孔的渦輪葉片壓力面的冷卻效率分布云圖；Drost等[6]采用瞬態(tài)液晶測(cè)量技術(shù)，獲得了帶有氣膜孔的葉片表面的換熱系數(shù)和冷卻效率2維分布云圖；孫兆文等[7]通過熱電偶測(cè)量技術(shù)對(duì)全氣膜覆蓋的渦輪葉片表面進(jìn)行了傳熱試驗(yàn)研究；朱彥偉等[8]采用5種湍流模型及2種壁面函數(shù)，計(jì)算了NASA-MarkⅡ?qū)蛉~片全表面換熱并與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比。上述研究表明某些湍流模型的計(jì)算值只是在某個(gè)區(qū)域較為理想，還不能找到在整個(gè)葉片表面計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)較為接近的湍流模型。白江濤等[9]采用瞬態(tài)液晶技術(shù)測(cè)量了渦輪導(dǎo)葉片全表面的換熱系數(shù)和冷卻效率，發(fā)現(xiàn)氣膜孔下游的換熱系數(shù)和冷卻效率都較高，受葉柵通道渦的影響，吸力面氣膜覆蓋區(qū)域收縮，壓力面覆蓋區(qū)域擴(kuò)張，吸力面換熱系數(shù)分布受氣流分離和通道渦的影響。

以某型渦輪葉片為模型，采用試驗(yàn)方法分別對(duì)該型葉片有、無氣膜孔結(jié)構(gòu)時(shí)的流場(chǎng)與溫度場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量，分析了流動(dòng)與換熱特性。研究結(jié)果對(duì)深入認(rèn)識(shí)渦輪葉片氣膜冷卻結(jié)構(gòu)的流動(dòng)與換熱特性具有一定意義，對(duì)渦輪葉片氣膜冷卻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值。

1 試驗(yàn)件及試驗(yàn)段

離子圖像測(cè)速技術(shù)（ParticleImageVelocimetry,PIV）流場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)以及傳熱試驗(yàn)系統(tǒng)已在文獻(xiàn)[9-10]有詳細(xì)說明，本文不再贅述。

1.1 試驗(yàn)件

試驗(yàn)件分為有氣膜孔和無氣膜孔2種類型，均采用有機(jī)玻璃加工，如圖1所示。有氣膜孔的葉片試驗(yàn)件，其氣膜孔位于葉片的前緣及中弦位置，前緣氣膜孔直徑為1.5 mm，孔間距為6 mm，開孔角度為49毅；壓力面中弦氣膜孔直徑為1.8 mm，孔間距為6 mm，開孔角度為23毅。在葉片表面粘貼有厚度為0.01 mm的銅膜，通電后在葉片表面獲得均勻熱流。為了使葉片表面發(fā)射率盡量接近于1，在葉片加熱膜表面噴涂1層黑色油漆。葉片幾何參數(shù)見表1。

圖1 試驗(yàn)件2種類型

表1 葉片幾何參數(shù)

1.2 試驗(yàn)段

試驗(yàn)段包括傳熱特性試驗(yàn)段和PIV流場(chǎng)測(cè)量試驗(yàn)段，2種試驗(yàn)段的幾何尺寸和幾何結(jié)構(gòu)完全相同，均包括2個(gè)完整的葉柵通道和1個(gè)葉片。如圖2所示。試驗(yàn)段主流入口截面長180 mm，寬67.5 mm。為了便于PIV流場(chǎng)測(cè)量，試驗(yàn)段的外殼均采用透明有機(jī)玻璃。在傳熱試驗(yàn)段通道側(cè)壁上設(shè)置裝有2塊紅外玻璃的測(cè)量窗口，用于采用紅外熱像儀直接讀取葉片吸力面和壓力面的溫度。

圖2 試驗(yàn)段

由于影響紅外熱像儀測(cè)量精度的因素較多[11]，為了保證測(cè)量精度，在試驗(yàn)開始前需對(duì)紅外熱像儀的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行標(biāo)定。具體方法為：

（1）在加熱膜中心線沿主流方向每隔5 mm布置1個(gè)T型熱電偶，共布置4個(gè)；（2）將主流溫度由常溫逐漸加熱到70℃，每升溫5℃，待穩(wěn)定后分別用熱電偶和紅外熱像儀讀取熱電偶相應(yīng)位置的溫度；（3）將熱電偶和紅外熱像儀的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，采用最小二乘法擬合，得到紅外熱像儀測(cè)量數(shù)據(jù)的校正值。

在紅外熱像儀標(biāo)定過程中，由于紅外熱像儀對(duì)壓力面和吸力面的拍攝角度和距離有差異，所以需分別對(duì)壓力面和吸力面的紅外測(cè)量溫度進(jìn)行標(biāo)定。結(jié)果分別為

式中：t0和t分別為紅外熱像儀校正前、后的溫度，℃。

2 參數(shù)定義

（1）吹風(fēng)比

式中：籽2、u2分別為次流的密度和速度；籽∞、u∞分別為主流的密度和速度。

（2）葉片表面絕熱冷卻效率

式中：T∞和T2分別為主、次流溫度；Taw為絕熱壁溫。

（3）無氣膜冷卻葉片表面對(duì)流換熱系數(shù)

（4）有氣膜冷卻葉片表面對(duì)流換熱系數(shù)

式中：q=（UI）/A為電加熱熱流密度，其中U為加熱膜兩端電壓，I為加熱膜電流強(qiáng)度，A為加熱膜面積；qr為熱輻射損失；qc為通過葉片導(dǎo)熱損失；Tw為無氣膜冷卻葉片表面溫度。

（5）主流雷諾數(shù)Re

式中：d為葉柵通道出口當(dāng)量直徑；u、自分別為葉柵通道出口處主流速度和運(yùn)動(dòng)黏度。

3 試驗(yàn)過程

本文利用PIV方法測(cè)量葉柵內(nèi)部流場(chǎng)特征，采用紅外熱像技術(shù)測(cè)量葉片表面溫度分布特征。文獻(xiàn)[9]詳細(xì)介紹了PIV技術(shù)測(cè)量葉柵通道中流場(chǎng)的方法，文獻(xiàn)[11-15]亦詳細(xì)介紹了紅外熱像技術(shù)測(cè)量葉片表面絕熱冷卻效率和對(duì)流換熱系數(shù)的方法，對(duì)此本文不再贅述。

4 結(jié)果分析

4.1 流場(chǎng)與溫度場(chǎng)分析

有、無冷卻氣流時(shí)渦輪葉片沿流向中間截面的流場(chǎng)分布如圖3所示。從圖中可見，有冷卻氣膜時(shí)的葉片外部流場(chǎng)與無氣膜時(shí)的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)有一定的差異。具體表現(xiàn)在：無冷卻氣膜時(shí)時(shí)，在葉片壓力面中弦附近貼近壁面處形成速度梯度變化很大的邊界層，愈靠近葉片中弦壁面，流動(dòng)速度愈小，在壁面處流動(dòng)速度為零。而有氣膜冷卻時(shí)，由于在葉片中弦開有1排氣膜孔，冷卻氣流經(jīng)由氣膜孔流出后破壞了壁面附近的邊界層，從而在壁面形成流速較大的氣膜層；在吸力面前緣附近，由于主流擾流葉片位于吸力面前緣，使得流體在此區(qū)域呈現(xiàn)與壁面分離的趨勢(shì)，而當(dāng)吸力面前緣有氣膜冷卻時(shí)，由氣膜孔流出的流體在主流的壓迫作用下使吸力面前緣壁面形成穩(wěn)定且流速較大的氣膜層，降低了流體在吸力面前緣附近分離的趨勢(shì)。

圖3 渦輪葉片中心截面流場(chǎng)分布

無氣膜冷卻時(shí)通道渦沿葉柵的演變?nèi)鐖D4所示。從圖中可見，通道渦沿流向經(jīng)歷了1個(gè)從無到有，從弱到強(qiáng)的演變過程。在葉柵的入口位置（截面1），整個(gè)葉柵通道中沒有通道渦的形成，隨后沿流向在靠近葉片端部出現(xiàn)通道渦，且沿著流動(dòng)方向一方面通道渦的強(qiáng)度和尺度逐漸增大，另一方面通道渦也不斷向流動(dòng)內(nèi)部移動(dòng)。

圖4 無氣膜冷卻時(shí)葉柵通道渦分布

無氣膜冷卻時(shí)葉片表面溫度分布如圖5所示。從圖中所見，由于主流在葉片駐點(diǎn)位置處邊界層厚度最薄，主流與葉片駐點(diǎn)位置對(duì)流換熱系數(shù)最大，使得葉片前緣駐點(diǎn)位置溫度最低，隨后，沿葉片壓力面和吸力面流動(dòng)方向，氣流在葉片表面邊界層逐漸增厚，對(duì)流換熱系數(shù)逐漸降低，使得葉片表面溫度逐漸升高，這種趨勢(shì)不隨著葉柵主流Re的變化而變化。

圖5 無氣膜冷卻葉片表面溫度分布

有氣膜冷卻時(shí)，不同吹風(fēng)比對(duì)應(yīng)的葉片表面溫度如圖6所示。從圖中所見，在葉片的前緣區(qū)域，由于冷卻氣膜的存在使得此處的溫度較低。對(duì)于吸力面，葉片表面溫度沿葉片流向逐漸升高；對(duì)于壓力面，葉片前緣在中弦氣膜孔區(qū)域，葉片表面溫度先逐漸升高，隨后又逐漸降低，在氣膜孔附近區(qū)域最低，在氣膜孔下游區(qū)域，葉片表面溫度逐漸升高。

圖6 有氣膜冷卻時(shí)不同吹風(fēng)比的葉片表面溫度分布

4.2 氣膜冷卻效率

葉柵Re對(duì)葉片表面絕熱冷卻效率的影響如圖7所示。從圖中所見，不同吹風(fēng)比時(shí)，葉柵Re的變化對(duì)吸力面冷卻效率的影響較小，這主要是因?yàn)樵谌~片的吸力面，由前緣氣膜孔噴出的冷卻氣膜層在前緣區(qū)域就已經(jīng)被主流卷吸而與主流完全摻混，對(duì)吸力面沒有形成氣膜冷卻效果，因此主流Re對(duì)冷卻效率影響不大。對(duì)壓力面而言，主流Re對(duì)冷卻效率有一定的影響，即在葉片壓力面中弦附近區(qū)域，冷卻效率隨著Re的增大而降低，但在壓力面前緣及尾緣區(qū)域，Re對(duì)冷卻效率基本沒有影響。同時(shí)明顯可見，冷卻效率沿葉片表面變化很大。由于在葉片吸力面前緣有1排氣膜孔，使得冷卻效率沿吸力面呈逐漸降低的趨勢(shì)。在葉片的壓力面，由于氣膜孔位于中弦區(qū)域，因此在壓力面前緣區(qū)域冷卻效率急劇降低，在接近中弦處氣膜孔區(qū)域時(shí)，冷卻效率又逐漸升高，在葉片出口區(qū)域最大，隨后沿壓力面又逐漸降低。

圖7 葉柵不同吹風(fēng)比時(shí)Re對(duì)冷卻效率的影響

圖8 不同Re時(shí)吹風(fēng)比對(duì)葉片表面冷卻效率的影響

不同Re下，吹風(fēng)比對(duì)絕熱冷卻效率的影響如圖8所示。從圖中所見，對(duì)于葉片吸力面，在其前緣附近，由于隨著吹風(fēng)比的增大，冷卻氣流隨氣膜孔的射流速度逐漸增大，過大的射流速度使冷卻氣流直接進(jìn)入到高溫主流中，并與之摻混，使吸力面前緣附近不能形成穩(wěn)定的氣膜層，從而使冷卻效率隨吹風(fēng)比的增加而降低，在吸力面前緣以外的區(qū)域，吹風(fēng)比對(duì)冷卻效率基本沒有影響。在葉片的壓力面，由于其前緣附近沒有氣膜孔，使得此區(qū)域貼近葉片壁面的氣流溫度較高。隨著吹風(fēng)比的增大，吸力面前緣氣膜孔射出的冷卻氣流與主流摻混愈加劇烈，流經(jīng)壓力面前緣附近的貼近壁面的主流溫度隨吹風(fēng)比的增大而愈來愈低，壓力面前緣區(qū)域冷卻效率隨吹風(fēng)比的增大而提高。在壓力面中弦區(qū)域，由于此處的氣膜孔與主流成一定的傾斜角度，由此氣膜孔射出的冷卻氣流更易在壁面形成貼壁氣膜層，且隨著吹風(fēng)比的增加，氣膜層愈加均勻，使得氣膜冷卻效率隨吹風(fēng)比的增加而升高。

4.3 對(duì)流換熱系數(shù)

不同吹風(fēng)比下主流Re對(duì)葉片表面對(duì)流換熱系數(shù)的影響如圖9所示。從圖中所見，在吸力面和壓力面，Re對(duì)葉片表面對(duì)流換熱系數(shù)的影響不同，主要表現(xiàn)在：在吸力面，對(duì)流換熱系數(shù)隨Re的減小而增大，當(dāng)Re=331126時(shí)，其對(duì)流換熱系數(shù)高于其他2種主流Re下的對(duì)流換熱系數(shù)，當(dāng)Re=295648和236518時(shí)，對(duì)流換熱系數(shù)相差不大；在壓力面，對(duì)流換熱系數(shù)隨Re的增加而增大，特別是在壓力面前半部，Re的增加強(qiáng)化了主流與邊界層的摻混，打亂了壓力面邊界層，使得壓力面前半部表面對(duì)流換熱系數(shù)隨Re的增大而顯著升高，而在壓力面尾緣區(qū)域，由于邊界層在壓力面后半部已經(jīng)趨于穩(wěn)定，主流Re的進(jìn)一步增加對(duì)邊界層的破壞作用減弱，使得葉片壓力面尾緣區(qū)域?qū)α鲹Q熱系數(shù)隨Re的增加而略顯增大。

不同Re下吹風(fēng)比對(duì)氣膜冷卻對(duì)流換熱系數(shù)的影響如圖10所示。從圖中所見，在葉片前緣區(qū)域，隨著吹風(fēng)比的增大，氣膜出流在壁面形成的氣膜層與壁面間的擾動(dòng)也逐漸增強(qiáng)，使得氣膜層與葉片壁面間的對(duì)流換熱增強(qiáng)，對(duì)流換熱系數(shù)在葉片前緣區(qū)域隨著吹風(fēng)比的增加而增大。當(dāng)Re較小時(shí)（Re=236518），葉片吸力面對(duì)流換熱系數(shù)呈現(xiàn)隨吹風(fēng)比的增大而增大的趨勢(shì)。在壓力面前緣至中弦氣膜孔區(qū)域，吹風(fēng)比對(duì)對(duì)流換熱系數(shù)影響不大，但在中弦氣膜孔下游區(qū)域，對(duì)流換熱系數(shù)則隨吹風(fēng)比的增加而增大。當(dāng)Re較大時(shí)（Re=295648、331126）， 在吸力面吹風(fēng)比對(duì)對(duì)流換熱系數(shù)的影響不大；但在壓力面，其前緣與中弦氣膜孔間，吹風(fēng)比對(duì)對(duì)流換熱系數(shù)影響不大，但在氣膜孔下游區(qū)域，對(duì)流換熱系數(shù)隨吹風(fēng)比的增加而增大。

圖10 不同Re吹風(fēng)比對(duì)對(duì)流換熱系數(shù)的影響

5 結(jié)論

（1）在無氣膜的葉片表面，葉片前緣滯止點(diǎn)和前緣靠近吸力面的位置是葉片表面換熱較強(qiáng)的2個(gè)位置。換熱系數(shù)整體變化規(guī)律在吸力面是由大變小，在壓力面則是先減小后增大。

（2）在有氣膜的葉片表面，氣膜增加了葉片表面流體的擾動(dòng)，所以氣膜存在的地方換熱均增強(qiáng)。但是沒有影響到葉片表面整體的變化趨勢(shì)。

（3）在不同吹風(fēng)比下，吸力面的換熱沒有明顯變化，而在壓力面則隨著吹風(fēng)比的增大換熱也相應(yīng)增強(qiáng)。