高壓渦輪葉尖壓力側(cè)開槽對(duì)氣動(dòng)換熱特性的影響

錢夢(mèng)成， 盧少鵬， 滕金芳

(上海交通大學(xué)航空航天學(xué)院，上海 200240)

高壓渦輪葉尖泄漏流增加渦輪氣動(dòng)損失的同時(shí)，會(huì)造成葉尖熱負(fù)荷的集中及升高。為削弱葉尖泄漏流和降低葉尖熱負(fù)荷，國內(nèi)外眾多學(xué)者針對(duì)葉尖結(jié)構(gòu)開展了相應(yīng)的研究。

Bunker等[1]對(duì)渦輪葉尖換熱機(jī)理進(jìn)行了早期的研究，并且對(duì)高壓渦輪葉尖換熱進(jìn)行了數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究。Zhang等[2]研究了溫比對(duì)渦輪葉尖氣熱性能的影響。為了提高氣動(dòng)效率、改善葉尖換熱性能，凹槽葉尖結(jié)構(gòu)應(yīng)運(yùn)而生。Yang等[3]進(jìn)行了對(duì)凹槽葉尖換熱情況的數(shù)值模擬。針對(duì)凹槽深度對(duì)渦輪葉尖換熱性能的影響，Metzger等[4]進(jìn)行了相關(guān)的研究,結(jié)論為更大的凹槽深度可以有助于降低腔底的換熱系數(shù)。除了凹槽深度，凹槽結(jié)構(gòu)的一些其他參數(shù)也會(huì)影響葉尖的氣熱性能。Zhou等[5]研究了凹槽的寬度對(duì)氣動(dòng)損失及換熱性能的影響。早期的研究更多集中于亞音速流動(dòng)，在最近的研究中，跨音速流動(dòng)下的氣熱性能已成為研究熱點(diǎn)。Wheeler等[6]發(fā)現(xiàn)亞音速和跨音速流動(dòng)在流動(dòng)結(jié)構(gòu)上有著巨大的差距，從而造成換熱系數(shù)分布上的差別。Zhang等[7]進(jìn)行了跨音速平葉尖換熱實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明在跨音速條件下葉尖上存在明顯的高換熱系數(shù)帶，驗(yàn)證了葉頂間隙中激波的存在。Zhang等[8]比較了不同葉頂間隙下葉尖氣熱性能，得出的結(jié)論是葉頂間隙越小，葉尖泄漏流越少，葉尖換熱性能越好。王瑞等[9]進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比了有無氣膜孔情況下，氣膜孔周圍換熱系數(shù)的變化情況。任戰(zhàn)鵬等[10]對(duì)短周期風(fēng)洞中渦輪葉片端壁的換熱做了實(shí)驗(yàn)研究，得出了不同的葉柵入口條件對(duì)換熱系數(shù)的影響。劉友宏等[11]通過改變湍流度，得到了葉片外側(cè)對(duì)流換熱系數(shù)隨湍流度的變化規(guī)律。

在凹槽葉尖壓力側(cè)開槽，通過實(shí)驗(yàn)及數(shù)值模擬方法，研究其對(duì)葉尖換熱和氣動(dòng)性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)施及實(shí)驗(yàn)條件

實(shí)驗(yàn)在上海交通大學(xué)航空航天學(xué)院氣動(dòng)換熱實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。風(fēng)洞設(shè)備如圖1所示。關(guān)于該實(shí)驗(yàn)風(fēng)洞的詳細(xì)介紹可參照Ma等[12]的研究。

圖1 實(shí)驗(yàn)風(fēng)洞設(shè)備Fig.1 Wind tunnel facility

為了保證流場(chǎng)的周期性，實(shí)驗(yàn)段采用五個(gè)葉片和四個(gè)通道。葉片采用光敏樹脂材料3D打印，實(shí)驗(yàn)過程采集中間葉片葉尖的溫度場(chǎng)。通過皮托管及熱電偶采集來流壓力與溫度。

圖2是實(shí)驗(yàn)段的側(cè)視圖，采用紅外相機(jī)(FLIR A325)，透過紅外窗口測(cè)量葉尖和腔底的溫度分布。

圖2 實(shí)驗(yàn)段側(cè)視圖Fig.2 Test section (side view)

瞬態(tài)換熱實(shí)驗(yàn)進(jìn)出口條件如表1所示?？刂萍訜崞鞯拈y門在實(shí)驗(yàn)過程中打開時(shí)間超過3 s使得進(jìn)口總溫及總壓達(dá)到穩(wěn)定值。

表1 實(shí)驗(yàn)條件Table 1 Experimental condition

1.2 數(shù)據(jù)處理方法

換熱系數(shù)h定義如式(1)所示：

q″=h(Tad-Tw)

(1)

式(1)中：q″為熱流密度；Tad為壁面絕熱溫度;Tw為壁面溫度。

Tad由進(jìn)口總溫決定[13]。采用文獻(xiàn)[14]中的方法獲取q″。該方法相比其他方法更加高效，并且已經(jīng)被大量學(xué)者應(yīng)用，如Ma等[12]和Zhang等[7]。獲得渦輪葉片葉尖及腔底的每一個(gè)像素點(diǎn)的熱流密度和溫度，根據(jù)公式1，換熱系數(shù)是熱流密度與溫度的斜率。進(jìn)一步獲得整個(gè)葉尖的換熱系數(shù)分布。

2 數(shù)值模擬設(shè)置

2.1 數(shù)值模擬方法

運(yùn)用ANSYS CFX進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。計(jì)算域由單葉片通道及周期面組成。計(jì)算邊界條件設(shè)置與實(shí)驗(yàn)條件相同。第一層網(wǎng)格厚度為1×10-6m。所有的固體壁面設(shè)置為無滑移壁面條件。數(shù)值模擬計(jì)算換熱系數(shù)h方法如式(2)所示：

(2)

2.2 湍流模型選擇

將S-A(spalart-allmaras)和SST(shear stress transport)兩個(gè)模型的計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。圖3分別展示了S-A、SST以及實(shí)驗(yàn)下葉尖換熱系數(shù)分布圖。由于相機(jī)拍攝角度限制，實(shí)驗(yàn)結(jié)果中未顯示葉片前緣換熱系數(shù)。

圖3 葉尖換熱系數(shù)分布Fig.3 Contours of HTC distribution

從圖3中可知，在葉尖吸力側(cè)以及腔底前半部分區(qū)域，對(duì)于換熱系數(shù)的預(yù)測(cè)，SST模型吻合度更高。因此，最終使用SST模型進(jìn)行數(shù)值模擬。

2.3 網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證

采用ICEM進(jìn)行結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格生成，如圖4所示，網(wǎng)格最小角度大于15°，不同網(wǎng)格塊之間平緩過渡。該網(wǎng)格內(nèi)每個(gè)六面體塊的雅克比行列式值均大于0.6。

圖4 葉尖網(wǎng)格拓?fù)銯ig.4 Mesh topology

研究主要關(guān)注于葉尖換熱情況，因此網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證工作針對(duì)了葉頂間隙的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)。表2為不同葉頂間隙網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)下葉尖平均換熱系數(shù)和葉尖平均y+。

表2 網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證Table 2 Mesh independence verification

從表2中可以看出，葉尖平均y+都接近1，而當(dāng)葉尖網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)從15上升到25時(shí)，葉尖換熱系數(shù)有較大的變化，而從25上升到35后，葉尖換熱系數(shù)幾乎不變。最終采用網(wǎng)格數(shù)為6.2×106的網(wǎng)格。

3 結(jié)果分析

3.1 槽結(jié)構(gòu)對(duì)氣動(dòng)性能影響

在式(3)中定義R為槽的高度與凹槽深度之比：

(3)

式(3)中：Lgroove為槽的高度；Lcd為凹槽的深度。

在壓力側(cè)開槽的位置位于8%弦長至20%弦長，如圖5所示。

圖5 槽結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Model of the groove structure

為了研究氣動(dòng)性能的變化情況，對(duì)比不同情況下葉柵出口總壓損失系數(shù)(尾緣后10%弦長處)。總壓損失系數(shù)定為如式(4)。

(4)

式(4)中:P0,i進(jìn)口總壓為165 000 Pa；P0,e為出口總壓。圖6展示了不同R下，葉柵通道出口截面總壓損失系數(shù)圖(50%葉高以上)。

圖6 出口總壓損失系數(shù)分布圖Fig.6 Contours of total pressure loss coefficient

圖7 葉柵通道滯止壓比分布圖Fig.7 Contours of stagnation pressure ratio

從圖6中可以看出，紅色區(qū)域?yàn)閾p失嚴(yán)重的區(qū)域。隨著槽高度的增加，葉柵出口的總壓損失明顯減少。為研究造成該現(xiàn)象的原因，在葉柵通道30%、50%、70%和90%弦長處設(shè)置了切平面。對(duì)于無冷氣的情況下，通過局部滯止壓比(P0/P0,i)反映泄漏渦的強(qiáng)度。圖7對(duì)比了無槽結(jié)構(gòu)和R=2/3的情況下，葉柵通道泄漏渦的強(qiáng)度。從圖7可以看出，當(dāng)引入槽結(jié)構(gòu)后，葉柵通道的滯止壓比升高，泄漏渦與通道渦強(qiáng)度降低，損失減少。槽結(jié)構(gòu)的引進(jìn)提高了渦輪葉柵的氣動(dòng)效率。

為更加清晰地展現(xiàn)葉柵出口總壓損失系數(shù)的變化，圖8為不同情況下平均總壓損失系數(shù)沿葉高分布。

圖8 平均總壓損失系數(shù)沿葉高分布圖Fig.8 Average total pressure loss coefficient

從圖8中可以看出，在60%葉高以上，引入槽結(jié)構(gòu)之后總壓損失系數(shù)明顯下降，并且隨著槽的高度增加，損失減少。引入槽結(jié)構(gòu)能大幅改善渦輪葉柵氣動(dòng)性能，在研究范圍內(nèi)，氣動(dòng)效率隨槽高度的增加而改善。

3.2 槽結(jié)構(gòu)對(duì)換熱性能影響

通過數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相互佐證，研究槽結(jié)構(gòu)對(duì)葉尖換熱的影響。圖9為不同R下葉尖換熱系數(shù)分布。

圖9 葉尖換熱系數(shù)分布Fig.9 Contours of HTC distribution

從圖9中可以看出，數(shù)值結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果均能發(fā)現(xiàn)引入壓力側(cè)槽結(jié)構(gòu)可以使得腔底前半部分的高換熱系數(shù)有所降低，但會(huì)使得周圍的換熱系數(shù)有所上升。同時(shí)，葉尖壓力側(cè)換熱系數(shù)有所下降而吸力側(cè)換熱系數(shù)有所上升。

為了研究造成換熱系數(shù)變化的原因，對(duì)無槽結(jié)構(gòu)和R=2/3情況下葉柵通道的流場(chǎng)進(jìn)行了分析，如圖10所示。圖10中，從葉頂間隙流過的氣流標(biāo)為紅色，從壓力側(cè)進(jìn)入腔內(nèi)的標(biāo)為藍(lán)色，沿著吸力側(cè)的流動(dòng)標(biāo)為黃色，從槽結(jié)構(gòu)流入腔內(nèi)的標(biāo)為綠色。

圖10 葉柵通道流線圖Fig.10 Flow structures

從圖10中可以看出，當(dāng)沒有槽結(jié)構(gòu)存在時(shí)，腔底前半部分區(qū)域存在一個(gè)由于渦結(jié)構(gòu)造成的“流動(dòng)死區(qū)”，熱負(fù)載集中于該區(qū)域(在圖10中已被圈出)。然而，在壓力側(cè)開槽之后，“流動(dòng)死區(qū)”不復(fù)存在。部分流體[圖10(b)中綠色流線]可以通過槽結(jié)構(gòu)進(jìn)入凹槽內(nèi)部，破壞內(nèi)部的渦結(jié)構(gòu)，降低該區(qū)域的換熱系數(shù)，將集中的熱負(fù)載分散到周圍區(qū)域。當(dāng)槽的高度增大時(shí)，通過槽結(jié)構(gòu)進(jìn)入凹槽的氣流量越大，熱負(fù)載分散的效果更明顯。因此當(dāng)R增大時(shí)，腔底前半?yún)^(qū)域的換熱系數(shù)峰值降低。

4 結(jié)論

通過數(shù)值模擬及實(shí)驗(yàn)，得出如下結(jié)論。

(1)對(duì)于渦輪氣動(dòng)性能，當(dāng)葉尖壓力側(cè)引入槽結(jié)構(gòu)后，出口總壓損失明顯降低。同時(shí)，當(dāng)槽的高度越高，總壓損失越少。

(2)對(duì)于渦輪葉尖換熱性能，葉尖壓力側(cè)引入槽結(jié)構(gòu)后，腔底前半部分的高換熱區(qū)峰值降低，換熱性能改善。同時(shí)，葉尖壓力側(cè)換熱系數(shù)有所下降而吸力側(cè)換熱系數(shù)有所上升。

(3)當(dāng)槽的高度增加，由壓力側(cè)的槽進(jìn)入凹槽內(nèi)部的氣流越多時(shí)，通過槽結(jié)構(gòu)進(jìn)入凹槽的氣流量增大，葉尖換熱性能改善效果明顯。