短周期风洞中导叶压力面气膜冷却实验研究

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(西北工业大学动力与能源学院，陕西 西安 710072)

短周期风洞中导叶压力面气膜冷却实验研究

马晓飞，张丽，刘聪，樊剑博

(西北工业大学动力与能源学院，陕西 西安 710072)

在短周期跨声速叶栅风洞中，采用放大的叶片模型，对具有单排气膜孔的导叶压力面54%相对弧长后的换热系数和气膜冷却效率进行测量，研究雷诺数、压比以及吹风比的影响。结果表明，压比是影响表面压力系数的主要因素。

短周期风洞；雷诺数；压比；吹风比；表面压力系数

0 引言

提高涡轮前燃气温度是增加发动机推重比的有效途径之一，它对叶片材料耐温极限以及冷却问题提出了新的要求。目前叶片热防护多采用气膜冷却技术，因此，研究叶片型面的气膜冷却特性显得特别重要。国外针对影响气膜冷却特性的不同因素已经进行了大量研究[1-12]。

相较平板和低速风洞中的实验，这里研究的雷诺数从40万～80万，吹风比与上述文献基本相同，并对上述文献未提及的压比的影响进行研究。

1 实验装置及实验方法

实验在短周期跨声速叶栅风洞中进行，实验装置的原理如图1所示。高压气源容积为140m3。电动阀起安全作用。快速阀实现实验的快速开启与停止。调压阀用于维持实验过程中主流状态的稳定。节流阀、蝶阀和引射器共同调节叶栅进、出口压力。实验段上游的大开角扩散段和稳压舱保证进入实验段气流的均匀性。风洞采用高压气源吹气和引射器吸气相结合的结构，拓宽实验雷诺数范围。风洞二次流系统气源同主流是分开的，由高压气罐、阀门、流量控制器、电加热器和叶片内腔组成。实验设备信息与参考文献[13]基本相同。

图1 短周期风洞实验装置

该风洞实验段主要参数：入口截面尺寸为513mm×120mm，有效工作时间大于5 s，叶片个数为5个，基于叶栅弦长的进口雷诺数Re范围1.0×105～16.0×105，出口马赫数Ma范围0～1.6，空气流量范围0.5～20.0kg/s。

实验叶栅的主要几何参数：叶片弦长为122mm，轴向弦长为70mm，叶栅栅距为87.5 mm，叶高为120mm，进气角为90°，出气角为15°。实验段平面如图2所示。测量换热和气膜冷却的叶片由PEEK材料制成，叶片压力面布置有6路热电偶，位于气膜孔轴线上，气膜孔位置和热电偶布局如图3所示。实验段入口处布置有Φ0.1mm的热电偶测量主流总温。测量表面静压的钢制叶片表面布置有直径为Φ0.5 mm的静压孔(压力面9个)，采用压力扫描阀测量。热电偶和压力扫描阀的采样频率分别为10kHz和100Hz。表1为放大实验叶片模型气膜孔排几何参数。其中，S为孔中心位置的相对弧长；P/D为孔排内气膜孔间距与孔径之比；N为孔数；θ为孔的出气方向与叶片表面的夹角；α为孔的出气方向与径向的夹角。

图2 实验段平面

图3 导叶表面气膜孔排和热电偶

表1 放大叶片模型气膜孔参数

S/%D/mmP/DNθ/(°)α/(°)540 892 823528 0178 0

实验采用反向热流法，热流从壁面传向主流。实验之前引一股加热气流从实验段下方通到实验段内给叶片加热，待叶片温度稳定后即可进行实验。

2 实验工况与数据处理

2.1 实验工况

由叶栅雷诺数Re、压比PR和吹风比BR调节实验状态，其中基于叶栅弦长和来流速度的雷诺数为：

Re=ρ1V1L/μ1

(1)

PR=p1t/p2

(2)

(3)

ρ1，V1，μ1分别为叶栅入口气流密度，速度以及动力粘性系数；L为叶栅弦长；p1t，p2分别为叶栅进口总压和出口静压;ρc，ρg分别为冷气和主流的密度；uc，ug分别为冷气和主流的速度。

表面静压采用表面压力系数为：

(4)

p为当地表面静压；p1t为叶栅进口总压；p1为叶栅进口静压。

实验中表面热流和气膜冷却效率可为：

qw=h(Taw-Tc)

(5)

(6)

Taw是绝热壁温；Tc为冷气温度；Tgr为主流恢复温度。

在Re=4.0×105，6.0×105，8.0×105和PR=1.2，1.4，2.0，以及Br=0.5，1.0，1.5，2.0状态下，进行了36组换热与气膜冷却实验。

2.2 数据处理

实验数据的处理采用瞬态响应法[14-15]。有气膜冷却时换热系数和冷却效率都根据以下公式来求，即

(7)

以qw/(Tgr-Tc)为因变量，(Tgr-Tw)/(Tgr-Tc)为自变量，对实验数据进行线性拟合，实验次数为2次，气动状态相同，不同的是实验端壁的加热温度，原则是一次实验中尽量让壁面热流密度接近零值，另一次实验中壁面热流密度比较大，这样直线斜率为换热系数，直线在横轴的截距为绝热气膜冷却效率。实验误差主要来自实验状态偏差以及叶片温度测量，参考文献[16]已对实验误差进行了详细的评估，在Re=2.0×105～10.0×105，PR=1.1～2.3范围内，利用误差传递公式计算出实验参数相对误差的上限。表2为实验参数的相对误差。

表2 实验误差 %

RePRCpBRhη3 453 3520 2

3 实验结果与分析

3.1 叶片表面静压测量结果

图4为雷诺数对叶片表面压力系数的影响，气膜孔排位于压力面54%相对弧长处，在图中已标出。图中横坐标s为相对弧长，0～-1为压力面相对弧长，0～1为吸力面相对弧长。

从图4可以看出，整个压力面及吸力面约64%相对弧长前，随雷诺数的增大压力系数几乎没有变化，只是在吸力面约64%相对弧长后都开始增大。受顺压梯度的作用，压力面10%相对弧长后压力系数沿途下降，引起紧贴边界层的主流沿途加速，而10%到大约50%相对弧长处气流加速较为平缓。从50%相对弧长至尾缘处，压力系数下降较为剧烈，同时流速上升较快，促使流动趋于稳定，避免流动分离现象的产生。受大的逆压梯度的作用，吸力面约64%相对弧长处压力系数出现最小值，导致边界层的分离，此时气流加速过程完成，随后气流开始减速。总体看来压力系数受雷诺数的影响较小。

图4 雷诺数对压力系数分布的影响

图5为压比对压力系数的影响。从图5中可以看出，压力面压力系数受压比的影响相对吸力面较小，而吸力面压力系数随压比的增大差别增大。压力面：前缘区域小于10%相对弧长区域速度变化剧烈，流动加速显著，而后速度变化趋缓，在50%相对弧长区域到尾缘速度逐渐快速增大，流动趋于稳定。吸力面：从前缘开始速度变化显著，直至拐点速度变化开始减缓直至尾缘。同时吸力面随压比的增大压力系数的最小值点后移，吸力面气流加速过程在约64%相对弧长处就已完成。

图5 压比对压力系数分布的影响

3.2 换热测量结果

图6为不同吹风比对压力面换热系数的影响。图中横坐标X/D为从气膜孔中心算起，下游弧长与孔径的比。图4和5标出了气膜孔排位置，-54%～-1相对弧长的方向与后文图中0～50倍孔径的方向相对应。从图6可以看出，换热系数随吹风比的增大而增大。在低吹风比下，冷气对主流扰动使得换热系数增强，同时边界层的增厚削弱了这种对换热系数增强的趋势，因此，换热系数相对趋于平缓。在中高吹风比下冷气流量以及速度的增大，使得其对主流的扰动增强，换热系数逐渐增大。个别点换热系数较低,可能是因为冷气动量较大穿透边界层进入主流的能力增强，对主流的扰动远离壁面，导致边界层内的冷气量较小引起的。随着沿主流方向冷气结构的逐渐解体以及湍流边界层的增厚，4种情况下压力面后段换热系数逐渐减小。

图6 吹风比对换热系数分布的影响

图7为压比对换热系数的影响。从图7中可以看出，换热系数随压比的增大变化不大。换热系数先增大，在X/D=13处达最大值，而后又开始减小，在X/D=20处出现低点，随后在小幅增大后开始逐渐降低。原因与中高吹风比的影响相似。从图5可知，受顺压梯度的影响，表面流动趋于稳定，因此，压比对换热系数产生的影响不大。

图8为雷诺数对压力面换热系数的影响。换热系数随雷诺数的增大而增大。在低吹风比时，不同雷诺数下的换热系数呈现先增后降的趋势，而在高吹风比时，不同雷诺数下的换热系数呈现的先增后降再升又降的趋势。

图7 压比对换热系数分布的影响

图8 雷诺数对换热系数分布的影响

这是因为低吹风比时，主流动量大于冷气动量，加之冷气量较少，主流对换热系数的影响起主导作用，而后由于边界层的增厚对换热产生不利影响，所以出现了换热系数先增后降的趋势。在高吹风比时孔下游附近由于冷气对主流的扰动作用使得换热系数开始很大，随后由于其穿透边界层，仅有小部分的冷气存在于边界层内，换热系数存在较低的区域，边界层的发展引起换热系数的增大，而边界层厚度的增加又引起换热系数的减小。

3.3 冷却效率测量结果

图9为吹风比对压力面孔下游气膜冷却效率的影响。在孔下游附近冷却效率随吹风比的增大而减小，而在20倍孔径后随吹风比的增大冷却效率增大。吹风比为0.5时，孔下游的冷却效率较高，达到0.34左右。随着吹风比从1.0～2.0，孔下游的冷却效率逐渐降低，吹风比为2.0时冷却效率最低，为0.05。这是因为低吹风比时，孔下游冷气射流速度很小，被主流气体压附在壁面上，冷却效率较高。而在中高吹风比下，孔出口处冷气射流速度较大穿透主流气体，导致孔附近冷却效率较低，随后冷气量的加大，更多的冷气在主流的作用下逐渐重新附着于壁面，冷却效率逐渐增大。20倍孔径后，低吹风比下距离孔下游较远处由于冷气量的不足引起气膜覆盖的减少，冷却效率沿途降低；高吹风比下，冷气相对较为充足，在主流加速的作用下，足够多的冷气贴附在壁面，冷却效率逐渐减小，但这种变化趋缓。

图9 吹风比对气膜冷却效率分布的影响

图10为压比对冷却效率的的影响。结合图5可知，压比对压力面压力系数的影响相对吸力面较小，压力面后半段处于顺压梯度下，从50%相对弧长到尾缘，主流处于持续加速过程，速度快速增大，流动趋于稳定。冷却效率曲线呈先增大后缓慢降低的趋势，在X/D=13时达到最大值，但总体上压比对冷却效率的影响不大。而图10中冷却效率曲线趋势的原因与中高吹风比对冷却效率影响的原因相似。

图10 压比对气膜冷却效率分布的影响

图11为雷诺数对冷却效率的影响。结合图4可知，雷诺数对压力面压力系数影响较小，受顺压梯度作用使流速上升较快，并促使流动稳定。因此，雷诺数对冷却效率的影响较小。吹风比为0.5时，总体呈现下降的趋势，而且这种下降趋势较为剧烈，吹风比为1.5时，呈现先由小急剧增大再减小的趋势，最大值也出现在X/D=13处。同样图中冷却效率曲线趋势的原因吹风比对冷却效率影响的原因相似。

图11 雷诺数对气膜冷却效率分布的影响

4 结束语

在短周期叶栅风洞中研究了放大导叶压力面54%相对弧长后的表面换热与气膜冷却特性，主要得到以下结论：

a.雷诺数对压力系数的影响不大。压力系数主要受压比的影响，并随压比的增大差别越来越大，且在吸力面最小压力系数点后移。相对于吸力面，压力面受压比的影响较小。

b.换热系数随吹风比、雷诺数的增大而增大，受压比的影响不大。低吹风比下换热系数的变化趋势较为平缓，而中高吹风比下换热系数呈现先增后降的趋势，并在20倍孔径处出现较低点，随后又增加到30倍孔径处开始逐渐降低。

c.在气膜孔下游20倍孔径内冷却效率随着吹风比的增大而减小，而距离孔20倍孔径后随吹风比的增大冷却效率也随之增大。在20倍孔径区域内，吹风比为0.5时，孔下游冷却效率达到0.34左右，吹风比2.0时冷却效率仅为0.05；距离孔20倍孔径后吹风比2.0时的冷却效率相对较高，且各吹风比下的冷却效率变化较为平缓。

d.在研究区域内，吹风比对换热系数和气膜冷却效率都有较为显著的影响；雷诺数仅对换热系数影响较大；压比则对二者产生的影响都不大。

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Film Cooling Experimental Research of Vane Pressure Surfacein Short Duration Wind Tunnel

MAXiaofei，ZHANGLi，LIUCong，FANJianbo

(School of Power and Energy，Northwestern Polytechnical University，Xi’an 710072，China)

Heat transfer coefficient and film cooling effectiveness of single row holes located at an enlar- ged vane pressure surface after 54% relative to the arc length were conducted in a short duration wind tunnel. Studied the influence of Reynolds number，pressure ratio and blowing ratio. The results suggest that the pressu- re ratio is the main factor affecting the pressure coefficient distribution.

short duration wind tunnel; Reynolds number;pressure ratio; blowing ratio; surface static pressure coefficient

2014-05-13

V231.1

A

1001-2257(2014)09-0026-05

马晓飞(1987-)，男，陕西渭南人，硕士研究生，研究方向为航空发动机高温部件强化传热及气膜冷却技术。