葉片前緣凹槽結(jié)構(gòu)氣膜冷卻特性數(shù)值研究

趙丹 陳劍

（1.中國航發(fā)湖南動(dòng)力機(jī)械研究所，湖南株洲 412002；2.中小型航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉輪機(jī)械湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南株洲 412002）

0.引言

國外正在應(yīng)用前緣凹槽冷卻技術(shù)，來降低葉片前緣的溫度。對(duì)于這一前緣凹槽冷卻結(jié)構(gòu)蘇云亮[1]和郭奇靈[2]等人研究了有/無凹槽結(jié)構(gòu)葉片前緣表面氣膜冷卻效率的分布規(guī)律，結(jié)果表明凹槽結(jié)構(gòu)顯著提升了前緣滯止線附近區(qū)域的氣膜冷卻效率。

本文建立了3種不同的葉片前緣凹槽模型和一種葉片前緣無凹槽模型，分別在吹風(fēng)比為1.0和2.0工況下，分析前緣表面氣膜冷卻特性的分布規(guī)律，研究了凹槽深度及有無凹槽結(jié)構(gòu)對(duì)前緣表面氣膜冷卻特性的影響。

1.數(shù)值方法

1.1 計(jì)算模型與邊界條件

葉片前緣由半圓柱面進(jìn)行模擬（半徑為20mm），駐點(diǎn)凹槽內(nèi)有8個(gè)氣膜孔，離駐點(diǎn)凹槽30°位置處有7個(gè)氣膜孔，各排氣膜孔均同向傾斜布置，各排孔由同一個(gè)二次流腔供氣。氣膜孔直徑為3mm，孔間距為6倍的氣膜孔徑，氣膜孔徑向夾角為30°，流向夾角為90°。前緣凹槽直徑分別為10mm、8mm和6mm，2種結(jié)構(gòu)計(jì)算模型示意如圖1所示。

圖1 計(jì)算模型

計(jì)算模型邊界條件設(shè)置如表1所示。

表1 計(jì)算模型邊界條件設(shè)置

1.2 數(shù)值計(jì)算方法及數(shù)據(jù)處理方法

計(jì)算模型創(chuàng)建及網(wǎng)格劃分由GAMBIT 2.4.6軟件進(jìn)行，求解選用ANSYS FLUENT 13.0，采用的湍流模型為標(biāo)準(zhǔn)k-epsilon模型。冷卻效率η定義為：

式中，Tg為主流溫度，Tc為二次流溫度，Taω為絕熱壁溫。

2.結(jié)果分析

圖2列出的是4種結(jié)構(gòu)在吹風(fēng)比為1.0工況下葉片前緣表面的氣膜冷卻效率分布云圖。

圖2 氣膜冷卻效率分布示意（1.0）

由無凹槽前緣表面氣膜冷卻效率分布云圖易知，在第一排氣膜孔中，各氣膜孔之間區(qū)域基本達(dá)到了氣膜全覆蓋，且沿著流向覆蓋面逐漸變窄。而在氣膜孔的正下方幾乎沒有氣膜覆蓋，在第二排氣膜孔中由于受上游氣膜覆蓋的影響，氣膜孔正下方氣膜覆蓋效果良好，而各氣膜孔之間區(qū)域氣膜邊界明顯且沒有氣膜覆蓋。

由前緣凹槽直徑6mm的冷效分布云圖易知，前緣區(qū)域的氣膜冷效沿著徑向傾角的方向緩慢遞增，最后呈現(xiàn)出在葉高和葉根2個(gè)位置處出現(xiàn)極值。除去在一側(cè)位置處的極小值，在整個(gè)前緣區(qū)域氣膜覆蓋良好，尤其在前緣凹槽內(nèi)冷卻效率非常高，在離第二排氣膜孔較遠(yuǎn)的區(qū)域，由于主流對(duì)氣膜射流的摻混氣膜覆蓋效果較差，冷卻效率較低，另外2種凹槽結(jié)構(gòu)下前緣表面的冷卻效率分布云圖與前緣凹槽直徑6mm結(jié)構(gòu)下前緣表面的冷卻效率分布云圖基本一致。

圖3展示的是吹風(fēng)比為1.0時(shí)前緣凹槽直徑8mm結(jié)構(gòu)和前緣無凹槽結(jié)構(gòu)在第一排孔下游位置處x/d=1.16（凹槽孔邊緣）截面上的無量綱溫度云圖。易知，在小吹風(fēng)比工況下，由于氣膜射流的動(dòng)量較低，所以在上述2個(gè)截面中的氣膜射流核心區(qū)域均貼近壁面。在前緣無凹槽的截面無量綱溫度云圖中可以看出，在氣膜射流核心區(qū)域氣膜冷效高，而在氣膜射流核心區(qū)域兩邊氣膜冷效較低，氣膜冷效高區(qū)域與低區(qū)域之間邊界非常明顯，表明有部分區(qū)域并沒有或者氣膜覆蓋較少。在前緣有凹槽結(jié)構(gòu)的截面無量綱溫度云圖中可以看出，在凹槽結(jié)構(gòu)的作用下各個(gè)氣膜射流核心區(qū)之間并無明顯邊界且貼壁性較好，所以在前緣凹槽結(jié)構(gòu)中整個(gè)前緣區(qū)域的氣膜覆蓋效果良好，冷卻效率較高。

圖3 無量綱溫度云圖（x/d=1.16，1.0）

下圖列出的是4種前緣結(jié)構(gòu)在吹風(fēng)比為2.0工況下葉片前緣表面的氣膜冷卻效率分布云圖。

由無凹槽前緣表面氣膜冷卻效率分布云圖易知，當(dāng)吹風(fēng)比增大至2.0時(shí)氣膜射流動(dòng)量增大，穿透性增強(qiáng)，氣膜射流貼壁性減弱，加之徑向傾角的雙重作用，氣膜冷卻效率沿著徑向高度的疊加效應(yīng)也顯著增強(qiáng)，最終呈現(xiàn)出在葉片前緣兩側(cè)端壁處出現(xiàn)極值。除去在一側(cè)位置處的極小值，在整個(gè)前緣區(qū)域氣膜覆蓋良好，在離第二排氣膜孔較遠(yuǎn)的區(qū)域，由于主流對(duì)氣膜射流的摻混，氣膜覆蓋效果較差，冷卻效率較低。

將圖4中無凹槽前緣冷卻效率分布云圖與前緣凹槽結(jié)構(gòu)下的冷卻效率分布云圖對(duì)比發(fā)現(xiàn)，4種前緣結(jié)構(gòu)下冷卻效率云圖的分布規(guī)律基本相似：在離兩排氣膜孔較近的整個(gè)前緣區(qū)域內(nèi)氣膜覆蓋良好，氣膜冷卻效率較高，在離第二排氣膜孔較遠(yuǎn)的區(qū)域，由于主流對(duì)氣膜射流的摻混，氣膜覆蓋效果較差，冷卻效率較低。在大吹風(fēng)比下，氣膜冷卻效率沿著徑向高度的疊加效應(yīng)也顯著增強(qiáng)，最終呈現(xiàn)出在葉片前緣兩側(cè)端壁處出現(xiàn)極大值與極小值，差異顯著。

圖4 氣膜冷卻效率分布示意（2.0）

圖5展示的是吹風(fēng)比為2.0時(shí)前緣凹槽直徑8mm結(jié)構(gòu)和無凹槽前緣結(jié)構(gòu)在兩排孔之間x/d=1.16（凹槽孔邊緣）截面上的無量綱溫度云圖。易知，在2.0工況條件下，前緣凹槽結(jié)構(gòu)和前緣無凹槽結(jié)構(gòu)在該截面上無量綱溫度云圖的分布規(guī)律基本一致：各個(gè)氣膜射流核心區(qū)域之間并無明顯邊界且貼壁性較好，所以在整個(gè)前緣區(qū)域內(nèi)，除一側(cè)端壁極小值外，氣膜覆蓋效果良好，冷卻效率較高。

圖5 無量綱溫度云圖（x/d=1.16，2.0）

3.結(jié)論

本文主要討論了無凹槽前緣結(jié)構(gòu)和3種凹槽結(jié)構(gòu)在1.0和2.0 2個(gè)不同吹風(fēng)比下的氣膜冷卻特性，研究了前緣凹槽結(jié)構(gòu)對(duì)前緣表面氣膜冷卻特性的影響，主要得出以下結(jié)論。

（1）相比于前緣無凹槽結(jié)構(gòu)，凹槽結(jié)構(gòu)能顯著提高整個(gè)前緣表面的氣膜覆蓋效果，這一特點(diǎn)在小吹風(fēng)比下更加突出。

（2）凹槽深度對(duì)前緣表面氣膜冷卻效率的影響較大，前緣表面的氣膜冷卻效率隨著前緣凹槽直徑的增大而逐漸減小，這一特點(diǎn)在大吹風(fēng)比下更為明顯。

（3）3種凹槽結(jié)構(gòu)下的氣膜冷卻效率均沿著展向方向逐漸增大，這一特點(diǎn)在大吹風(fēng)比下更加突出。

（4）3種凹槽結(jié)構(gòu)下的氣膜冷卻效率均隨著吹風(fēng)比的增大而減小。