摘要：為了探究以濕空氣作為冷卻介質(zhì)時(shí)透平葉片冷卻的復(fù)合冷卻性能，結(jié)合實(shí)驗(yàn)和數(shù)值方法探究了濕空氣含濕量對(duì)透平葉片濕空氣冷卻性能的影響。以GE-E3葉型為基礎(chǔ)，建立了帶有沖擊冷卻、U型帶肋通道冷卻、柱肋冷卻、尾緣劈縫以及氣膜冷卻結(jié)構(gòu)的復(fù)合冷卻透平葉片。測(cè)量了不同冷氣與主流質(zhì)量流量比條件下，采用不同濕空氣含濕量的濕空氣作為冷卻工質(zhì)時(shí)50%葉高處葉片表面溫度分布。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在不同的主流溫度下，增加濕空氣含濕量均能降低葉片表面溫度。在主流進(jìn)口溫度分別為473、873K條件下，采用含濕量分別為163.0、173.8g/kg的濕空氣作為冷卻工質(zhì)時(shí)，相較于17g/kg的濕空氣冷卻工況，葉片表面冷卻效率分別提高了9%～11%和7%～9%，葉片表面溫度分別降低了4.1～5.2K和19.0～21.3K。數(shù)值研究結(jié)果表明：帶γ-θ轉(zhuǎn)捩模型的SST k-ω模型能夠更為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)濕空氣冷卻時(shí)的葉片表面的溫度分布；濕空氣含濕量的增加能夠整體提高葉片表面冷卻效率，葉片表面冷卻效率的變化在氣膜覆蓋區(qū)域更為顯著。

關(guān)鍵詞：透平葉片；濕空氣冷卻；含濕量；復(fù)合冷卻

中圖分類(lèi)號(hào)：TK474.7"文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.7652/xjtuxb202410012"文章編號(hào)：0253-987X（2024）10-0133-12

Influence of Humidity Ratio of Humid Air on Composite Cooling

Performance of Gas Turbine Blades-Experimental

and Numerical Approaches

LI Jianwu1， WU Xin2，XIE Changya2， PANG Chunfeng2， LIU Shuangbai2， LI Liang1

（1. School of Energy and Power Engineering， Xi’an Jiaotong University， Xi’an 710049， China;

2. North China Electric Power Research Institute Co.， Ltd.， Beijing 100045， China）

Abstract：To explore the composite cooling performance of turbine blades using humid air as the cooling medium， the influence of humidity ratio of humid air on composite cooling performance of gas turbine blades is investigated through combined use of experimental and numerical approaches. Based on the GE-E3 blade profile， a blade with impingement cooling， U-shaped ribbed channels， pin fin structure， trailing edge slot and film cooling is established. The blade surface temperature at different positions at 50% blade height of the blade is measured under different mass flow ratios of coolant to mainstream using humid air with varying humidity ratio levels. The experimental results show that increasing the humid ratio consistently can reduce the blade surface temperature across different mainstream temperatures. Specifically， when the mainstream temperatures were 473K and 873K and humid air with a humid ratio of 163.0 and 173.8g/kg was used as the coolant， the cooling efficiency of the blade surface increased by 9%—11% and 7%—9% respectively and the blade surface temperature decreased by around 4.1—5.2K and 19.0—21.3K compared to the condition with a humid ratio of 17g/kg. Numerical results show that the SST k-ω model with the γ-θ transition model can accurately predict the temperature distribution on the blade surface for humid air cooling， increasing the humid ratio can improve overall cooling efficiency， and the change of cooling efficiency was especially significant in the film-cooling coverage area.

Keywords：turbine blades; humid air cooling; humidity ratio; composite cooling

燃?xì)廨啓C(jī)作為一種重要的動(dòng)力裝置，已被廣泛應(yīng)用于航空航天、電力、船舶等工業(yè)領(lǐng)域。隨著燃?xì)廨啓C(jī)朝著高效率、低排放、低成本和高靈活性等方向的發(fā)展，學(xué)者們不斷提出和研發(fā)各種基于燃?xì)廨啓C(jī)的新型動(dòng)力循環(huán)，濕化燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)HTA被認(rèn)為是其中最具代表性的一種［1］。研究濕化燃?xì)廨啓C(jī)的性能涉及到壓氣機(jī)進(jìn)口空氣的高效冷卻、濕壓縮、空氣濕化、濕空氣回?zé)帷袢紵榷鄠€(gè)方面［2］，其中濕空氣透平冷卻性能的預(yù)測(cè)研究是一個(gè)重要方面［3］。相對(duì)于干空氣，濕空氣具有更大的比熱容和導(dǎo)熱率，更低的密度和黏性系數(shù)，從而表現(xiàn)出更優(yōu)異的氣動(dòng)和傳熱性能［4］，這對(duì)減少冷卻空氣使用量和提高濕化燃?xì)廨啓C(jī)的整機(jī)效率具有重要意義。研究濕空氣透平葉片冷卻性能的變化規(guī)律，分析濕空氣物性的變化以及空氣與水蒸氣兩種介質(zhì)在流動(dòng)和傳熱過(guò)程中的相互作用，從而建立起濕空氣透平冷卻性能的分析、預(yù)測(cè)和評(píng)估方法，這對(duì)掌握濕化燃?xì)廨啓C(jī)全工況下透平冷卻性能，保證濕化燃?xì)廨啓C(jī)高溫透平葉片的運(yùn)行安全具有重要意義。

目前，許多專(zhuān)家學(xué)者對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)葉片單一冷卻方式進(jìn)行了大量研究［5-6］。部分專(zhuān)家學(xué)者將單一的內(nèi)部冷卻方式與氣膜冷卻相結(jié)合的復(fù)合冷卻進(jìn)行了研究［7-8］。部分學(xué)者將內(nèi)部冷卻通道簡(jiǎn)化為圓形徑向冷卻孔，對(duì)葉片內(nèi)外表面換熱進(jìn)行了研究［9-12］。賴(lài)佑奎等［13］采用磁共振測(cè)速（MVR）技術(shù)測(cè)量了一種復(fù)合冷卻渦輪葉片的三維流場(chǎng)，并重點(diǎn)研究了葉片尾緣的流動(dòng)特征；朱興丹等［14］采用三維流固耦合換熱計(jì)算研究了旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下渦輪葉片冷卻結(jié)構(gòu)復(fù)合冷卻性能，并討論了輻射換熱和轉(zhuǎn)速對(duì)綜合冷卻效果的影響。但目前針對(duì)整個(gè)葉片的復(fù)合冷卻方式的研究，尤其是實(shí)驗(yàn)研究還比較少，而隨著燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)展，燃?xì)廨啓C(jī)透平葉片冷卻系統(tǒng)朝著更高效、更復(fù)雜的方向發(fā)展，因此探究不同冷卻方式的綜合冷卻性能是一個(gè)重要的課題。

對(duì)于不同冷卻工質(zhì)的冷卻研究，Jiang等［15-17］向空氣中噴入氣霧，對(duì)帶肋通道內(nèi)的流動(dòng)和換熱進(jìn)行了研究。Jordal等［18］比較了干空氣、濕空氣和蒸汽作為冷卻工質(zhì)對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)性能的影響，研究表明用濕潤(rùn)空氣冷卻能提高燃?xì)廨啓C(jī)熱效率。Facchini等［19］比較了空氣和蒸汽冷卻中燃?xì)廨啓C(jī)的冷卻性能，結(jié)果表明，采用一種蒸汽和空氣混合冷卻結(jié)構(gòu)能使得葉片冷卻更加均勻。Dhanasekaran等［20］以液滴/蒸汽作為工質(zhì)對(duì)高溫、高壓工況下的燃?xì)廨啓C(jī)葉片進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，向冷卻工質(zhì)中注入5%的霧氣，平均可實(shí)現(xiàn)100%的冷卻效率。Abdelmaksound等［21］研究了3D透平葉片的空氣/水霧冷卻耦合傳熱情況，研究結(jié)果顯示，葉片表面氣霧兩相流冷卻性能提高10%～25%，在內(nèi)部冷卻通道中的局部區(qū)域這一數(shù)值可達(dá)到50%。馬超等［22］以實(shí)驗(yàn)對(duì)比了蒸汽和空氣兩種工質(zhì)冷卻條件下葉片表面溫度，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，蒸汽蒸汽相對(duì)于空氣冷卻可以使平均葉片冷卻效率提升10%以上。符陽(yáng)春等［23］采用熱流耦合的數(shù)值方法對(duì)帶有徑向冷卻孔的C3X葉片進(jìn)行了計(jì)算，對(duì)比分析了干空氣與濕空氣冷卻效果的差異，在主流主流進(jìn)口溫度為1473K的條件下，濕空氣含濕量從0增加到200g/kg時(shí)，葉片冷卻效率提高8%，葉片表面平均溫度下降約20K。李健武等［24］通過(guò)數(shù)值模擬方法，使用濕空氣作為冷卻工質(zhì)，對(duì)進(jìn)口雷諾數(shù)和濕空氣含濕量對(duì)沖擊冷卻流動(dòng)和傳熱特性的影響進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)沖擊冷卻換熱靶面Nu數(shù)隨著含濕量的增大而增大，并擬合出濕空氣沖擊冷卻的傳熱關(guān)聯(lián)式。朱華等［25-26］對(duì)濕空氣平板氣膜冷卻進(jìn)行了研究，研究表明，當(dāng)吹風(fēng)比較低時(shí)，靶面氣膜冷卻效率隨著含濕量的增大而提高，當(dāng)吹風(fēng)比高于1.0時(shí)，靶面平均氣膜冷卻效率隨著含濕量的增大而降低。

使用濕空氣作為濕化燃?xì)廨啓C(jī)透平葉片冷卻系統(tǒng)的冷卻工質(zhì)，可以有效提高冷卻效率，然而目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于濕化燃?xì)廨啓C(jī)濕空氣透平葉片復(fù)合冷卻的研究還比較少，因此研究濕化燃?xì)廨啓C(jī)葉片復(fù)合冷卻性能具有重要意義。本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬的方法，分別研究了含有前緣沖擊冷卻、中弦區(qū)U型帶肋通道冷卻、氣膜冷卻以及尾緣柱列冷卻等經(jīng)典冷卻結(jié)構(gòu)的渦輪葉片，分析了不同含濕量的濕空氣冷卻下葉片表面溫度的分布情況。

1"濕空氣透平葉片冷卻系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究

1.1"透平葉片實(shí)驗(yàn)件

濕空氣透平葉片冷卻實(shí)驗(yàn)段主要由主流通道、透平葉片以及透平葉片內(nèi)部的冷卻通道組成。葉片葉型以GE-E3發(fā)動(dòng)機(jī)第一級(jí)動(dòng)葉中間截面葉型的型線為參考，并根據(jù)Timko［27］的葉片冷卻實(shí)驗(yàn)前緣沖擊冷卻、中弦區(qū)U型帶肋通道冷卻、尾緣柱肋冷卻、尾緣劈縫以及氣膜冷卻結(jié)構(gòu)的復(fù)合冷卻葉片。

圖1給出了濕空氣透平葉片冷卻實(shí)驗(yàn)段與實(shí)驗(yàn)葉片的示意圖，主流通道為截面45mm×45mm的方形通道，實(shí)驗(yàn)葉片通過(guò)開(kāi)設(shè)于主流通道上下壁面且與葉片型線一致的開(kāi)口插入實(shí)驗(yàn)段，置于通道中心。主流氣體經(jīng)過(guò)主流進(jìn)口進(jìn)入主流通道，經(jīng)過(guò)與透平葉片表面換熱后從主流出口排出。圖1（b）給出了實(shí)驗(yàn)葉片的參數(shù)，實(shí)驗(yàn)葉片設(shè)計(jì)為直葉片，葉片高度為45mm，柵距為28.50mm，進(jìn)出口氣流角分別為52.14°、23.10°。

圖2給出了實(shí)驗(yàn)葉片內(nèi)部的冷卻結(jié)構(gòu)。如圖2（a）所示，冷卻氣流從葉片中弦區(qū)進(jìn)入葉片后，一部分氣流經(jīng)位于葉片前緣側(cè)的U型冷卻通道后，通過(guò)10個(gè)沿葉高方向等距布置的沖擊孔沖擊至葉片前緣內(nèi)壁面，最后從位于前緣處的氣膜孔流出，沖擊孔的直徑為1.5mm。葉片前緣處的氣膜孔參考常見(jiàn)的Showerhead布置方式，如圖2（b）所示。葉片采用3D打印加工，前緣處氣膜孔直徑設(shè)計(jì)為0.9mm，其中一排沿滯止線布置，另外兩排氣膜孔與Showerhead氣膜孔布置方式相比，更加遠(yuǎn)離前緣滯止線。為了方便表述，將前緣3排氣膜孔分別命名為L(zhǎng)1、L2、L3排氣膜孔（L代表前緣），其中L1排氣膜孔數(shù)為11，沿葉高方向均勻布置；而其余兩排氣膜孔數(shù)均為21，沿葉高方向均勻布置。尾緣側(cè)U型通道吸力面和壓力面兩側(cè)各開(kāi)設(shè)有一排氣膜孔，其中吸力面?zhèn)葰饽た酌麨镾排氣膜孔，而壓力面?zhèn)葰饽た酌麨镻排氣膜孔。兩排氣膜孔沿葉高平均分布，數(shù)目均為8，進(jìn)入尾緣側(cè)U型通道的冷卻氣體，一部分冷卻工質(zhì)從氣膜孔流出，其余冷卻工質(zhì)經(jīng)過(guò)尾緣柱肋擾流通道，最后從尾緣劈縫流出進(jìn)入主流。

為了測(cè)量葉片表面溫度，在葉片外表面50%葉高處沿燃?xì)饬飨蚬查_(kāi)設(shè)了7個(gè)寬0.45mm、深0.60mm的槽以布置熱電偶，熱電偶布置位置如圖2（b）所示，為了方便表述，根據(jù)7個(gè)熱電偶在吸力面與壓力面的位置分別編號(hào)為S1～S5、P1～P2，S代表吸力面?zhèn)?，P代表壓力面?zhèn)?，同時(shí)在冷卻氣流進(jìn)口處布置熱電偶以測(cè)量冷氣進(jìn)口溫度。

為了準(zhǔn)確測(cè)量葉片表面的溫度分布，首先將7個(gè)線徑為0.1mm的K型熱電偶頭部放入實(shí)驗(yàn)葉片表面開(kāi)設(shè)的7個(gè)槽中，并用直徑0.5mm的316L不銹鋼絲壓緊，使熱電偶頭部的金屬球與葉片材料緊密貼合。熱電偶線沿槽道從葉片頂部引出，并用雙組份耐高溫密封膠固定和填充槽道，以保持葉片表面的平整。

1.2"實(shí)驗(yàn)測(cè)量方法

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由主風(fēng)機(jī)和輔風(fēng)機(jī)來(lái)提供穩(wěn)定氣流，主風(fēng)機(jī)和主加熱器為實(shí)驗(yàn)提供高溫主流，輔風(fēng)機(jī)和輔加熱系統(tǒng)提供冷卻工質(zhì)。此外，實(shí)驗(yàn)采用了蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生水蒸氣，蒸汽發(fā)生器提供過(guò)熱蒸汽與加熱后的空氣混合形成濕空氣，二者混合后又經(jīng)過(guò)一個(gè)加熱器以加熱至實(shí)驗(yàn)所需溫度，通過(guò)調(diào)節(jié)干空氣與水蒸氣的流量比可獲得不同含濕量的濕空氣。實(shí)驗(yàn)中溫度的測(cè)量采用了K型鎧裝熱電偶，所有的流量、壓力、溫度等實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)均連接至數(shù)據(jù)采集板，待各項(xiàng)參數(shù)穩(wěn)定后，記錄流量、壓力、溫度等數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、主加熱系統(tǒng)、蒸汽發(fā)生系統(tǒng)、實(shí)驗(yàn)段與測(cè)試系統(tǒng)的詳細(xì)介紹參考文獻(xiàn)［25-26］。

1.3"實(shí)驗(yàn)參數(shù)定義

冷氣與主流的質(zhì)量流量比ω定義為冷氣質(zhì)量流量與主流質(zhì)量流量的比，即

ω=GcGm=Gc，a+Gc，gGm（1）

式中：Gc為冷卻工質(zhì)的質(zhì)量流量；Gm為主流的質(zhì)量流量；Gc，a、Gc，g分別為冷氣中干空氣的質(zhì)量流量和水蒸氣的質(zhì)量流量。

定義主流進(jìn)口雷諾數(shù)

Rem=ρmUm，inLμm=GmLμm（2）

式中：ρm為主流密度；Um，in為主流進(jìn)口速度；L為進(jìn)氣腔的寬度；μm為主流的動(dòng)力黏度。

定義冷氣進(jìn)口雷諾數(shù)

Rec=ρcUc，inDhμc=Gc，a+Gc，g（π/4）μcDh（3）

式中：ρc為冷氣的密度；Uc，in為冷氣的進(jìn)口速度；Dh為實(shí)驗(yàn)段冷氣進(jìn)口處所連接進(jìn)氣管道的直徑；μc為冷卻工質(zhì)的動(dòng)力黏度。

濕空氣的含濕量d定義為每千克干空氣中所含水蒸氣的質(zhì)量，其表達(dá)式為

d=mgma（4）

式中：mg為冷卻工質(zhì)中水蒸氣的質(zhì)量，g；ma為冷卻工質(zhì)中干空氣的質(zhì)量，kg。

定義葉片表面冷卻效率

η=Tm－TTm－Tc（5）

式中：Tm為主流進(jìn)口溫度；Tc為冷氣進(jìn)口溫度；T為葉片表面溫度。

含濕量的增加使得葉片表面溫度逐漸降低，含濕量變化所引起冷卻效率的變化量Δηd為

Δηd=η－ηdηd×100%（6）

式中：ηd為自然空氣冷卻條件下葉片表面的冷卻效率。

1.4"實(shí)驗(yàn)工況

透平葉片濕空氣復(fù)合冷卻實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，保持冷氣進(jìn)口溫度為403K不變，分別調(diào)節(jié)主流進(jìn)口溫度為473、873K。實(shí)驗(yàn)測(cè)量了不同主流雷諾數(shù)Rem、不同冷氣與主流的質(zhì)量流量比ω條件下的濕空氣冷卻特性，每一組工況分別進(jìn)行了含濕量從0增加到150g/kg條件下4個(gè)工況的實(shí)驗(yàn)。但是，在實(shí)際實(shí)驗(yàn)時(shí)，由于當(dāng)?shù)丨h(huán)境空氣中本身就含有一定的水蒸氣，含濕量并不為0，因此實(shí)驗(yàn)過(guò)程中需要記錄當(dāng)前空氣的含濕量，再對(duì)實(shí)驗(yàn)測(cè)量的含濕量進(jìn)行修正，修正后的實(shí)驗(yàn)工況參數(shù)如表1所示。

1.5"穩(wěn)定換熱條件與測(cè)試數(shù)據(jù)不確定度分析

在保證操作正確的前提下，由于測(cè)量?jī)x的精度問(wèn)題，實(shí)驗(yàn)中不可避免地會(huì)產(chǎn)生測(cè)量誤差。按照誤差分析理論，當(dāng)變量V為若干個(gè)獨(dú)立變量a，b，…的函數(shù)即V=V（a，b，…）時(shí)，變量V的誤差可寫(xiě)為

ev=aVVaea2+bVVbeb2+…1/2（7）

式中：ev為待確定變量V的誤差；ea、eb為各個(gè)獨(dú)立變量的測(cè)量誤差；V/a、V/b等為誤差傳遞系數(shù)。

根據(jù)式（1）可知，冷氣與主流的質(zhì)量流量比的測(cè)量誤差取決于冷氣流量與主流流量的測(cè)量誤差。根據(jù)式（7），可得質(zhì)量流量比的測(cè)量誤差

eω=（G2c，ae2c，a+G2c，ge2c，a+e2m）1/2Gc，a+Gc，g（8）

式中：ec，a、ec，g分別為冷氣通道干空氣流量計(jì)和水蒸氣流量計(jì)的測(cè)量誤差；em為主流干空氣流量計(jì)的測(cè)量誤差。根據(jù)流量計(jì)測(cè)量精度，干空氣流量計(jì)和水蒸氣流量計(jì)的最大測(cè)量誤差均小于0.006，為了方便計(jì)算，取ec，a=ec，g=em=0.006。經(jīng)過(guò)計(jì)算，質(zhì)量流量比的最大測(cè)量誤差小于1.03%。

根據(jù)式（2），可知主流進(jìn)口雷諾數(shù)的測(cè)量誤差取決于主流空氣質(zhì)量流量的測(cè)量誤差。根據(jù)式（7）可得主流進(jìn)口雷諾數(shù)的測(cè)量誤差

eRe，m=em（9）

主流雷諾數(shù)的最大測(cè)量誤差小于0.60%。根據(jù)式（3）可得冷氣進(jìn)口雷諾數(shù)的測(cè)量誤差取決于冷氣質(zhì)量流量的測(cè)量誤差，根據(jù)式（7）可得冷氣進(jìn)口雷諾數(shù)的測(cè)量誤差

eRe，c=G2c，ae2c，a+G2c，ge2c，g（Gc，a+Gc，g）21/2（10）

經(jīng)過(guò)計(jì)算，冷氣進(jìn)口雷諾數(shù)的測(cè)量誤差小于0.6%。根據(jù)式（4）可知，含濕量的測(cè)量誤差取決于干空氣和水蒸氣流量的測(cè)量誤差。根據(jù)式（7）可得濕空氣含濕量d的測(cè)量誤差

ed=（e2c，a+e2c，g）1/2（11）

經(jīng)過(guò)計(jì)算，濕空氣含濕量的最大測(cè)量誤差小于0.85%。根據(jù)式（5）可知，冷卻效率的測(cè)量誤差來(lái)源于主流進(jìn)口溫度、冷氣進(jìn)口溫度和葉片表面溫度的測(cè)量誤差。根據(jù)式（7），可得冷卻效率的測(cè)量誤差

eη=eT·T2m（T－Tc）2+T2（Tm－Tc）2+T2c（Tm－T）2（Tm－T）2（Tm－Tc）212（12）

式中：eT為熱電偶溫度測(cè)量誤差，eTlt;0.01。由此可計(jì)算冷卻效率最大測(cè)量誤差小于2.67%。

1.6"實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

為了直觀顯示各工況的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，圖3、圖4給出了不同主流溫度Tm、不同主流進(jìn)口雷諾數(shù)Rem、不同冷氣與主流流量比條件下葉片表面測(cè)量溫度。在每種進(jìn)口工況下，比較了4種濕空氣含濕量條件下的葉片表面溫度。圖中LE、TE分別表示葉片前緣和尾緣，SS、PS分別表示吸力面和壓力面，橫坐標(biāo)為葉片軸向相對(duì)位置。

各實(shí)驗(yàn)工況下葉片表面溫度分布的規(guī)律具有相似性。位于葉片吸力面靠近前緣的熱電偶S1測(cè)得的溫度最高，這是因?yàn)槿~片前緣直接受到高溫主流的沖刷，形成高換熱強(qiáng)度的滯止區(qū)域，從而形成葉片前緣的高溫區(qū)域。沿著葉片表面主流氣體的流向，即葉片表面相對(duì)位置從0至-0.75，葉片溫度先降低后升高。葉片表面溫度分布的這種特點(diǎn)與實(shí)驗(yàn)葉片采用的冷卻方案相吻合，低溫冷氣先進(jìn)入中弦區(qū)U型通道，經(jīng)過(guò)通道內(nèi)的對(duì)流換熱后冷氣溫度升高，再進(jìn)入葉片前緣和尾緣參與沖擊冷卻與尾緣柱肋冷卻。這導(dǎo)致中弦區(qū)的葉片燃?xì)鈧?cè)和冷氣側(cè)溫差最高，使得葉片中弦區(qū)得到的冷卻效果最為顯著，因而可以觀察到位于葉片中弦區(qū)的熱電偶S2和P1溫度最低。而越靠近葉片尾緣區(qū)域，葉片表面溫度越高，這是因?yàn)槿~片尾緣較薄，內(nèi)部冷卻通道狹窄，冷卻氣體流動(dòng)阻力大，冷卻氣體的冷卻效果有限，因而葉片尾緣區(qū)域溫度較高。

對(duì)比圖3（a）、（b）、（c）及圖4（a）、（b）可以發(fā)現(xiàn)，葉片表面溫度均隨冷卻含濕量的增大而有所降低。在不同冷氣與主流質(zhì)量流量比下，濕空氣含濕量變化所引起的葉片表面溫度的變化規(guī)律大致相同。這是因?yàn)?，濕空氣的比熱容和?dǎo)熱率隨著濕空氣含濕量的增大而增大，在相同質(zhì)量流量的冷卻工質(zhì)條件下，更高的比熱容和導(dǎo)熱率能夠更快速地帶走更多的熱量，從而實(shí)現(xiàn)更好的冷卻效果。

對(duì)比圖3（b）、（d）和圖4（a）、（c） 可以發(fā)現(xiàn)，在相同的主流溫度和冷氣與主流質(zhì)量流量比條件下，增大主流進(jìn)口雷諾數(shù)會(huì)使得葉片表面溫度升高。這是因?yàn)?，增大主流雷諾數(shù)使得葉片燃?xì)鈧?cè)的流動(dòng)湍動(dòng)度增強(qiáng)，從而加強(qiáng)了主流與葉片間的對(duì)流換熱。對(duì)比圖3（a）、（b）、（c）可以發(fā)現(xiàn)，在相同的主流溫度和主流雷諾數(shù)條件下，增加冷氣與主流質(zhì)量流量比會(huì)降低葉片表面溫度。在主流雷諾數(shù)不變的條件下，增加冷氣與主流質(zhì)量流量比意味著增加了冷氣的質(zhì)量流量，從而增加了單位時(shí)間內(nèi)冷氣的吸熱量。因此，冷氣與主流質(zhì)量流量比越大，葉片表面溫度越低。

圖5展示了葉片表面冷卻效率變化量Δηd隨含濕量的分布情況。從圖5可以看出，葉片表面7個(gè)測(cè)點(diǎn)的冷卻效率變化量Δηd均為正值，且隨著含濕量的升高而增大。隨著含濕量的增加，7個(gè)熱電偶測(cè)點(diǎn)處的冷卻效率均有所增加，葉片表面溫度有所降低。當(dāng)主流進(jìn)口溫度為473K，含濕量從17g/kg依次增至163.0g/kg時(shí)，葉片冷卻效率Δη提高了約9%～11%，而當(dāng)主流進(jìn)口溫度為873K，含濕量從17g/kg依次增至173.8g/kg時(shí)，葉片冷卻效率Δη提高了約7%～9%。這是因?yàn)?，在高溫條件下，不同含濕量的濕空氣物性差異更小，濕空氣冷卻性能逐漸減弱。

綜合對(duì)比圖3、圖4可以看出，雖然高溫下濕空氣含濕量對(duì)濕空氣冷卻性能的增強(qiáng)作用減弱，但由于高溫下主流與冷氣間的溫差更大，增加濕空氣含濕量使葉片表面溫度下降的幅值遠(yuǎn)高于低溫條件下。在進(jìn)口溫度分別為473、873K條件下，含濕量從17g/kg分別增至163.0g/kg和173.8g/kg時(shí)，葉片表面溫度分別降低了4.1～5.2K和19.0～21.3K。

2"濕空氣透平葉片復(fù)合冷卻特性的數(shù)值分析

2.1"幾何模型

由于實(shí)驗(yàn)條件的限制，實(shí)驗(yàn)僅測(cè)量了50%葉高處7個(gè)點(diǎn)的溫度，難以獲得整個(gè)葉片表面的溫度分布。為了分析冷氣含濕量對(duì)葉片表面溫度分布的影響，采用數(shù)值模擬的方法針對(duì)實(shí)驗(yàn)工況進(jìn)行了計(jì)算并進(jìn)行補(bǔ)充分析，數(shù)值計(jì)算的幾何模型與實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ捅３忠恢?，并利用ANSYS ICEM軟件對(duì)主流通道、葉片固壁和內(nèi)部冷卻通道分別進(jìn)行非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，如圖6所示。

2.2"邊界條件及求解設(shè)置

數(shù)值模擬的邊界條件與實(shí)驗(yàn)條件保持一致，計(jì)算工況與表1保持一致。計(jì)算域中所有的流固交界面設(shè)置為熱流耦合壁面，主流通道壁面以及葉根葉頂壁面設(shè)置為絕熱壁面。主流設(shè)置為干空氣，冷卻工質(zhì)為干空氣和水蒸氣的混合物，通過(guò)改變水蒸氣的含量可得不同含濕量的濕空氣。濕空氣的物性通過(guò)基于各組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)的理想混合模型計(jì)算得到，詳細(xì)的流體參數(shù)設(shè)置參考文獻(xiàn)［25-26］。

2.3"網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

為了保證數(shù)值計(jì)算的準(zhǔn)確性，首先對(duì)所采用的計(jì)算網(wǎng)格進(jìn)行了網(wǎng)格無(wú)關(guān)性分析。采用網(wǎng)格總數(shù)分別為1800、2415、2710和3150萬(wàn)的4種網(wǎng)格，對(duì)主流進(jìn)口溫度Tm，in為473K、主流進(jìn)口雷諾數(shù)為43000、冷氣與主流質(zhì)量流量比為10%和冷卻氣體含濕量為84.3g/kg的工況分別進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算。圖7給出了葉片吸力面?zhèn)群蛪毫γ鎮(zhèn)鹊钠骄鶞囟入S網(wǎng)格數(shù)的變化曲線。由圖7可知：葉片吸力面?zhèn)绕骄鶞囟嚷愿哂趬毫γ鎮(zhèn)?，?dāng)網(wǎng)格數(shù)少于2710萬(wàn)時(shí)，兩個(gè)面平均溫度均隨著網(wǎng)格數(shù)的增大而增大；當(dāng)網(wǎng)格數(shù)超過(guò)2710萬(wàn)時(shí)，兩個(gè)面平均溫度幾乎不再隨網(wǎng)格數(shù)的變化而變化。因此，后續(xù)選用2710萬(wàn)的網(wǎng)格進(jìn)行計(jì)算。

2.4"湍流模型選擇

為了驗(yàn)證數(shù)值方法的準(zhǔn)確性，針對(duì)主流進(jìn)口溫度為473K、主流進(jìn)口雷諾數(shù)為43000、冷氣與主流質(zhì)量流量比為10%、冷氣含濕量為84.3g/kg的實(shí)驗(yàn)工況進(jìn)行了驗(yàn)證。該步驟選取了k-ε模型、k-ω模型、SST k-ω模型和帶γ-θ轉(zhuǎn)捩模型的SST k-ω模型4種兩方程湍流模型分別進(jìn)行求解。

圖8給出了采用不同湍流模型計(jì)算得到的50%葉高處沿葉片軸向的葉片表面溫度分布曲線，其中橫坐標(biāo)為沿葉片弧長(zhǎng)坐標(biāo)的相對(duì)位置，葉片前緣滯止點(diǎn)位于坐標(biāo)原點(diǎn)，壓力面為正，吸力面為負(fù)。

4種湍流模型都能預(yù)測(cè)葉片表面溫度變化的規(guī)律，但數(shù)值計(jì)算得到的葉片表面溫度均低于實(shí)驗(yàn)值。由于4種湍流模型中帶γ-θ轉(zhuǎn)捩模型的SST k-ω模型對(duì)透平葉片濕空氣復(fù)合冷卻特性的預(yù)測(cè)結(jié)果最為準(zhǔn)確，因此后續(xù)計(jì)算中均采用帶γ-θ轉(zhuǎn)捩模型的SST k-ω湍流模型。

2.5"數(shù)值結(jié)果分析

采用帶γ-θ轉(zhuǎn)捩模型的SST k-ω模型，對(duì)不同主流溫度、不同含濕量冷卻空氣的工況進(jìn)行數(shù)值驗(yàn)證。圖9對(duì)各工況的數(shù)值計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，可知帶γ-θ轉(zhuǎn)捩模型的SST k-ω模型能夠較為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)葉片表面的溫度分布。在葉片表面－0.2～－0.4相對(duì)位置處，數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果差異較大，這是由于實(shí)驗(yàn)只設(shè)計(jì)了單個(gè)葉片通道，數(shù)值方法采用周期性邊界條件保證了流動(dòng)的周期性。實(shí)驗(yàn)主流通道壁面增加了主流的流動(dòng)阻力，降低了主流的速度，并在一定程度上改變了主流通道的壓力分布，延遲了葉片表面層流向湍流的過(guò)渡。

因而，壓力面上S2附近也變表面溫度的實(shí)驗(yàn)測(cè)量值低于數(shù)值模擬，但總的來(lái)說(shuō)，數(shù)值模擬能準(zhǔn)確得到葉片表面的溫度分布。當(dāng)主流溫度為473K時(shí)，數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合最好，最大誤差約為6K，相對(duì)誤差約為2%。而隨著主流溫度升高，數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的誤差逐漸增大，當(dāng)主流溫度分別為873K時(shí)，數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的最大誤差約26K，最大相對(duì)誤差為5.2%。

圖10、圖11分別給出了主流進(jìn)口雷諾數(shù)Rem=43000、主流進(jìn)口溫度Tm，in=473K（溫比φ=0.852）時(shí)，不同冷氣與主流流量比ω和不同含濕量d條件下葉片壓力面和吸力面冷卻效率的分布云圖。 為了方便觀察，葉片表面沿葉片型線展開(kāi)。

由于冷卻氣體從葉片中弦區(qū)進(jìn)入葉片內(nèi)部冷卻結(jié)構(gòu)，葉片中弦區(qū)出現(xiàn)高冷卻效率區(qū)域，而葉片前緣和尾緣區(qū)域的冷卻效率相對(duì)較低。特別地，葉片尾緣處吸力面與壓力面的底部和頂部均出現(xiàn)了局部低冷卻效率區(qū)域，由于葉片前緣有氣膜冷卻的保護(hù)，葉片前緣區(qū)域的冷卻效率高于葉片尾緣區(qū)域，尤其是在靠近葉根和葉頂?shù)膮^(qū)域。

在4種濕空氣含濕量條件下，增大冷氣與主流質(zhì)量流量比使得吸力面和壓力面冷卻效率均有所升高。局部高冷卻效率區(qū)域的面積顯著增大，尾緣低冷卻效率區(qū)域的面積逐漸減小，這一結(jié)論與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相同。相同冷氣與主流質(zhì)量流量比下，增加濕空氣含濕量也能降低葉片表面溫度，尤其是氣膜孔下游區(qū)域冷卻效率變化最為明顯：一方面使得葉片中弦區(qū)的局部高冷卻效率區(qū)域面積增大，另一方面使得尾緣的局部低冷卻效率區(qū)域的面積減小。由此可見(jiàn)，增大冷卻空氣含濕量不僅能增大葉片表面冷卻效率，而且能增大高冷卻效率區(qū)域面積。這是因?yàn)椋弘S著濕空氣含濕量的增大，濕空氣的比熱容和導(dǎo)熱率增大，從而帶走更多的熱量；隨著含濕量的增大，濕空氣的密度逐漸變小，在相同質(zhì)量流量的冷卻工質(zhì)條件下，冷氣的流速增大。在內(nèi)部冷卻通道內(nèi)，更高的速度能增強(qiáng)沖擊冷卻、柱肋冷卻效果。

3"結(jié)"論

本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究，得出了在不同主流進(jìn)口雷諾數(shù)Rem，不同冷卻空氣與主流質(zhì)量流量比ω，不同含濕量條件下葉片表面溫度分布情況?；趯?shí)驗(yàn)研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，帶γ-θ轉(zhuǎn)捩模型的SST k-ω模型對(duì)透平葉片濕空氣復(fù)合冷卻特性的預(yù)測(cè)結(jié)果更為準(zhǔn)確，并開(kāi)展了相應(yīng)的數(shù)值模擬研究，使得濕空氣含濕量對(duì)透平葉片冷卻性能的影響更為詳實(shí)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)與數(shù)值研究得出以下結(jié)論。

（1）在473、873K的主流進(jìn)口溫度下，實(shí)驗(yàn)葉片表面的溫度分布規(guī)律相似。由于冷氣從葉片中弦區(qū)進(jìn)入葉片，葉片中弦區(qū)溫度最低，而葉片前緣直接受到高溫主流的沖刷，形成高溫區(qū)域，葉片尾緣會(huì)出現(xiàn)局部高溫區(qū)域。

（2）隨著含濕量的增加，7個(gè)熱電偶測(cè)點(diǎn)處的冷卻效率均有所增大，葉片表面溫度有一定降低，含濕量變化對(duì)冷卻效率的影響在低主流溫度條件下更為顯著。當(dāng)主流進(jìn)口溫度分別為473、873K時(shí)，使用含濕量分別為163.0、173.8g/kg的濕空氣作為冷卻工質(zhì)，與含濕量為17g/kg 的濕空氣冷卻工況相比，葉片表面的冷卻效率分別提高了 9%～11% 和 7%～9%。

（3）數(shù)值研究發(fā)現(xiàn)γ-θ轉(zhuǎn)捩模型的SST k-ω模型能夠準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)葉片表面的溫度分布。主流溫度分別為473、873K時(shí)，數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的最大誤差約為6、26K，最大相對(duì)誤差分別為2%、5.2%。

（4）在相同冷氣和主流質(zhì)量流量比的情況下，增加濕空氣中的含濕量可以提高葉片表面冷卻效率，特別是在氣膜孔下游區(qū)域，冷卻效率的變化尤為顯著。

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（編輯"趙煒）