透平靜葉表面多排孔氣膜冷卻特性試驗研究

何 磊， 陳大為， 張 祎， 王海峰， 劉 釗， 竺曉程， 杜朝輝

(1.上海電氣電站集團，上海 201199；2.上海交通大學 機械與動力工程學院，上海 200240；3.西安交通大學 能源與動力工程學院，西安 710049)

隨著當前世界范圍內(nèi)能源形勢日益嚴峻，對環(huán)境保護的要求日益嚴苛，研究先進的燃氣輪機技術，提高其能源轉(zhuǎn)換效率及潔凈利用水平，實現(xiàn)節(jié)能減排，對于國民經(jīng)濟社會的可持續(xù)發(fā)展具有極其重要的意義。提高燃氣輪機透平進口溫度是提高燃氣輪機效率的途徑之一，現(xiàn)代先進燃氣輪機透平進口溫度已經(jīng)遠遠超過葉片金屬的許用溫度，因此必須對透平葉片進行冷卻。氣膜冷卻是燃氣輪機透平葉片外部冷卻的主要形式，其原理是冷卻空氣從葉片表面離散的孔或槽縫流出，與主流迅速摻混并在主流壓力梯度的作用下于貼近壁面處形成低溫氣膜，對透平葉片表面進行隔熱和冷卻。

國內(nèi)外一般通過試驗測量和數(shù)值模擬的方式進行透平葉片氣膜冷卻的研究。在試驗測量方面，Huyssen等[1]研究了孔形和葉根倒角對透平靜葉氣膜冷卻端壁流場和溫度場的影響。Moore等[2]研究了吹風比對前緣帶有扇形孔的透平葉片表面氣膜冷卻有效度的影響。Barigozzi等[3]測量了帶有成型孔和槽縫射流的透平葉片端壁傳熱系數(shù)和氣膜冷卻有效度。Wiese等[4]研究了空氣比熱容和黏度對透平葉片前緣氣膜冷卻的影響。付仲議等[5]研究了主流雷諾數(shù)、二次流質(zhì)量流量比和主流湍流度對全氣膜透平葉片中截面氣膜冷卻有效度的影響。韓楓等[6]研究了不同出流角對旋轉(zhuǎn)透平葉片前緣氣膜冷卻的影響。在數(shù)值模擬方面，Kahveci[7]研究了入口非均勻溫度場對透平動葉葉頂氣膜冷卻有效度的影響。Ravelli等[8]研究了密度比和主流湍流度對透平葉片前緣氣膜冷卻的影響。Okita等[9]采用多目標尋優(yōu)法對跨音速透平葉片表面箭頭形氣膜孔開展優(yōu)化研究。張玲等[10]研究了吹風比對透平葉片尾緣氣膜冷卻有效度和壁面溫度的影響。張浩等[11]研究了縮放孔對透平動葉表面氣膜冷卻有效度的影響。從上述研究可以看出，透平葉片表面氣膜冷卻特性的影響因素多，影響規(guī)律復雜，國內(nèi)針對透平葉片表面多排孔后氣膜冷卻有效度和傳熱系數(shù)的公開研究較少，且尚未形成能夠支撐燃氣輪機透平葉片氣膜冷卻設計的專用數(shù)據(jù)庫。

筆者采用紅外成像技術試驗測量了帶有多排扇形氣膜孔的透平靜葉表面氣膜冷卻有效度和傳熱系數(shù)，分析了不同吹風比條件下靜葉表面不同孔排位置處氣膜冷卻有效度和傳熱系數(shù)的分布規(guī)律。

1 實驗裝置與測量方法

1.1 實驗裝置

實驗在西安交通大學葉輪機械研究所平面葉柵氣膜冷卻試驗臺上開展，試驗臺為開式風洞，由3套獨立的系統(tǒng)組成，分別是主流系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)和二次流系統(tǒng)。主流系統(tǒng)由氣源、冷干機、前置和后置過濾器、儲氣罐、管網(wǎng)系統(tǒng)、調(diào)節(jié)閥(電動和手動)、擴壓段、整流段、收縮段和試驗段等組成。制冷系統(tǒng)有獨立的2套，每套由1臺獨立工作的制冷機和相匹配的板式換熱器組成，其作用是對冷氣進行制冷，以滿足對冷氣溫度的要求。對應于制冷系統(tǒng)，二次流系統(tǒng)也是獨立的2套，其氣源由標準40 L二氧化碳工業(yè)氣瓶提供。葉柵試驗段如圖1所示，采用3支葉片構成的兩葉柵流道設計，中間葉片為試驗測量葉片，葉片弦長為113 mm，葉型轉(zhuǎn)折角為72°，葉柵柵距為84.14 mm;試驗段進口寬度為168.28 mm，高度為100 mm。主流進氣角為90°，進口總壓為104.842 kPa，進口馬赫數(shù)為0.174，出口馬赫數(shù)為0.344。

圖1 平面葉柵氣膜冷卻試驗臺

圖2為試驗件氣膜孔布置示意圖。葉片表面共布置8排扇形氣膜孔，其中壓力面和吸力面各4排，每排氣膜孔單獨供氣。壓力面各排氣膜孔沿弧長xP負方向依次命名為PS1、PS2、PS3、PS4，吸力面各排氣膜孔沿弧長xS正方向依次命名為SS1、SS2、SS3、SS4,D為氣膜孔直徑。扇形氣膜孔造型是基于文獻[12]中公開的氣膜孔形狀設計的，氣膜孔直徑為0.6 mm，扇形出口展向和流向擴張角為10°，壓力面和吸力面射流角分別為35°和43°，其他參數(shù)見表1。

圖2 試驗件氣膜孔布置示意圖

表1 氣膜孔排參數(shù)

1.2 測量方法

對于存在氣膜冷卻的葉片，冷氣與主流之間的摻混不僅影響了葉片壁面附近的氣流溫度，也會影響葉片表面的傳熱系數(shù)，因此存在氣膜冷卻時，壁面的氣膜冷卻有效度和傳熱系數(shù)是衡量氣膜冷卻性能的2個重要參數(shù)。

1.2.1 氣膜冷卻有效度測量方法

氣膜冷卻有效度采用穩(wěn)態(tài)法測量，試驗葉片材料為低導熱光敏樹脂，其導熱系數(shù)約為0.2 W/(m·K)。試驗中使用T型熱電偶測量主流溫度Tg和冷氣溫度Tc，使用紅外相機拍攝得到絕熱壁溫Taw。按照式(1)計算即可得到初始氣膜冷卻有效度η：

(1)

隨后，采用一維修正法[13]除去葉片表面的橫向?qū)嵋约皟?nèi)部通道與外部換熱引起的氣膜冷卻有效度測量誤差，得到絕熱條件下的氣膜冷卻有效度。本試驗中，當氣膜冷卻有效度為0.1時，其不確定度為14%;當氣膜冷卻有效度為0.5時，其不確定度為2.4%。

1.2.2 傳熱系數(shù)測量方法

傳熱系數(shù)采用恒熱流法測量，試驗前在葉片表面貼加熱膜提供恒定熱流量q，試驗時保證冷氣溫度與主流溫度一致，均為Tr，使用紅外相機拍攝得到葉片表面溫度Tw。通過式(2)計算即可得到傳熱系數(shù)h為：

(2)

2 結果與分析

2.1 不同吹風比下葉片表面氣膜冷卻有效度

圖3給出了吹風比BR為1.0、1.5、2.0和2.5條件下，葉片壓力面氣膜冷卻有效度云圖，該云圖為葉片曲面沿流向展平的氣膜冷卻有效度結果。從圖3可以看出，氣膜孔附近區(qū)域冷氣覆蓋較好，沿流動方向，高氣膜冷卻效率的覆蓋面積減小。隨著吹風比的增大，每個氣膜孔的冷氣出流量增加，孔下游冷氣覆蓋面積增加。

(a)BR=1.0

圖4 壓力面展向平均氣膜冷卻有效度分布

圖5給出了吹風比為1.0、1.5、2.0和2.5條件下，葉片吸力面氣膜冷卻有效度分布云圖，該云圖為葉片曲面沿流向展平的結果。從圖5可以看出，氣膜孔出口區(qū)域冷氣覆蓋較好，沿流動方向，高氣膜冷卻效率的覆蓋面積逐漸減??；相比于壓力面，吸力面氣膜孔下游冷氣覆蓋長度較長，覆蓋面積較大，這主要是由于近吸力面主流流速及加速度較大，對冷氣的夾帶作用較強。隨著吹風比的增大，冷氣流量和動量增加，吸力面孔排SS1～SS3下游冷氣覆蓋面積先增加后減小，孔排SS4下游冷氣覆蓋面積增加。

圖6給出了吹風比為1.0、1.5、2.0和2.5條件下，葉片吸力面展向平均氣膜冷卻有效度分布圖，其中灰色條紋表示氣膜孔排位置，坐標原點位于第一排孔SS1出口，橫坐標為葉片吸力面弧長xS與氣膜孔直徑D之比。從圖6可以看出，在試驗范圍內(nèi)，各吹風比下每排氣膜孔出口位置的展向平均氣膜冷卻有效度最大，且均沿著流動方向逐漸減小。隨著吹風比的增大，孔排SS1下游展向平均氣膜冷卻有效度減小,孔排SS2和SS3下游展向平均氣膜冷卻有效度先增大后減小，2個孔排的最佳吹風比分別為2.0和1.5,孔排SS4下游展向平均氣膜冷卻有效度逐漸增大。

圖6 吸力面展向平均氣膜冷卻有效度分布

2.2 不同吹風比下葉片表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)

圖7給出了吹風比為1.0、1.5、2.0和2.5條件下，葉片壓力面展向平均傳熱系數(shù)比的分布圖。從圖7可以看出，在試驗范圍內(nèi)任意吹風比下，氣膜孔后展向平均傳熱系數(shù)比沿流向變化趨勢相同。當吹風比為1.0時，氣膜孔排PS1和孔排PS4下游展向平均傳熱系數(shù)略低于無冷氣工況；當吹風比大于1.5時，冷氣出流導致壓力面附近邊界層擾動增強，展向平均傳熱系數(shù)相比無氣膜時小幅增大。

圖7 壓力面展向平均傳熱系數(shù)比

圖8給出了吹風比為1.0、1.5、2.0和2.5條件下，葉片吸力面展向平均傳熱系數(shù)比的分布圖。從圖8可以看出，在試驗范圍內(nèi)任意吹風比下，氣膜孔后展向平均傳熱系數(shù)比沿流向變化趨勢相同。隨著吹風比的增大，冷氣出流對邊界層的擾動增強，氣膜孔后展向平均傳熱系數(shù)比增大；其中，孔排SS1下游展向平均傳熱系數(shù)比受氣膜出流的影響最大。

圖8 吸力面展向平均傳熱系數(shù)比

3 結 論

(1)靜葉壓力面各排孔后氣膜冷卻有效度隨著吹風比的增大而增大，其中，壓力面孔排PS1下游展向平均氣膜冷卻有效度受吹風比的影響最大。

(2)靜葉吸力面孔排SS1下游氣膜冷卻有效度隨著吹風比的增大而減?。豢着臩S2和SS3下游氣膜冷卻有效度先增大后減小，2個孔排的最佳吹風比分別為2.0和1.5；孔排SS4下游氣膜冷卻有效度隨著吹風比的增大而增大。

(3)當大吹風比(吹風比大于1.5)時，靜葉壓力面和吸力面氣膜孔排下游大部分區(qū)域展向平均傳熱系數(shù)相比無氣膜時小幅增大；其中，吸力面孔排SS1下游展向平均傳熱系數(shù)比受氣膜出流的影響最大。