航空发动机涡轮叶片尾缘楔形通道交错肋冷却实验

2022-08-25肖克华罗稼昊

上海交通大学学报 2022年8期

为了提高燃气轮机循环的热效率，涡轮前进口温度被不断提高，迫切需要高效先进的涡轮叶片冷却技术.现有的冷却技术主要分为外部冷却技术和内部冷却技术.外部冷却主要依靠气膜冷却，而内部冷却技术主要包括冲击冷却和强化对流冷却.交错肋通道冷却技术起源于苏联，目前被俄罗斯和乌克兰广泛沿用.该结构不仅具有极高的换热能力，而且能够很好地保持叶片的结构强度，近年来引起了国内外学者的关注.

文献[2]使用瞬态液晶(TLC)测试技术和热红外成像技术研究了交错肋子通道宽度对整体换热的影响，研究表明通道越窄，气流的转角效应带来的换热增强效果越明显.文献[3]运用实验研究了静止和旋转条件下径向流动配置交错肋通道的传热和流阻特性，研究发现低雷诺数下旋转数对交错肋通道换热影响不明显.文献[4]用锌熔法对中弦区和尾缘布置交错肋结构的换热和流阻特性进行了测量，结果表明肋倾角为45°时的换热增强比最佳.文献[5]利用瞬态液晶测试技术实验研究了布置在尾缘区域的伴有尾缘出流的交错肋冷却结构内局部换热系数，发现出流孔使得通道换热均匀性降低.

文献[6-7]采用水蒸气凝结法分别对侧边开槽的交错肋和尾缘段带隔板的交错肋的整体流动传热特性展开了实验研究，结果表明相比于不开槽交错肋通道，侧面开槽交错肋换热明显提高阻力系数明显减小，尾缘带波纹形隔板交错肋综合换热效果优于扰流柱结构.文献[8]对含有凹陷涡发生器的交错肋结构进行了稳态实验和仿真，结果表明在交错肋中流动的弯折效应、上下通道流体的掺混作用和流体对肋壁的冲击作用是交错肋结构强化传热的主要原因.模型采用U型底部优化底部流动，同时应用凹陷涡发生器控制扰流，交错肋结构的综合传热性能得到了大幅提升.

在现有的研究中，大多数学者关注交错肋结构在叶片中弦区域的应用，而对交错肋在尾缘区域的研究较少.带侧边进气道的交错肋结构在叶片的楔形尾缘区域的流动传热研究更是存在空白.在叶片中的应用部位不同交错肋的进气方式有很大不同，同时尾缘通道存在渐缩特性，这些都会对流动换热特性产生影响.

本文研究的独特性在于，利用瞬态液晶测试技术对涡轮叶片尾缘具有侧边进气的楔形通道交错肋冷却结构湍流传热开展实验研究，获得了精细的上、下主表面的传热系数分布以及通道内的压力损失特性.该研究可为交错肋冷却结构在涡轮叶片尾缘的应用提供实验基础.

令Bk表示第k个发送线圈在节点S处产生的磁通密度,θk表示S与xyz轴的极角。当距离d远大于4倍的线圈半径时,S处的磁通密度为

1 实验研究

1.1 实验测试装置

实验测试装置如图1所示，旋涡式气泵将空气吸入风洞入口，涡街流量计测量记录流量大小.随后，空气进入稳压箱和丝网加热器，温度获得实验所需的阶跃式上升.热空气流入一段光滑通道后充分发展，接着经过90°转角进入楔形通道交错肋的实验核心区，而后通过尾缘劈缝出口段流出实验核心区.交错肋被安置在实验核心区，并用瞬态液晶处理上下表面.核心区段通道入口和出口布置有测压孔和测温孔，使用压力扫描阀和NI(National Insturments)数据采集系统记录压力以及温度数据.在实验时，同步记录上下板面的瞬态液晶颜色变化过程、出入口气流压力和气流温度.实验段进出口处的温度范围为43～47 ℃.随着流量变化，子通道入口平均流速范围为2.52～10.27 m/s，子通道出口平均流速范围为5.89～24.01 m/s.

当=17 600时，由实验得到的上、下主表面努塞尔数分布对比如图8所示.从图8中可发现，上、下主表面换热差异显著，下表面换热明显优于上表面.这主要是入口气流折转角不同而引发流量分配不同而导致的，下主表面子通道流量高于上主表面子通道.上主表面高换热段集中在靠近出口的底部区域；下主表面高换热区域主要集中在靠近入口的中部区域和顶部气流转折的下游区域.

1.2 交错肋通道

楔形通道交错肋模型如图2所示.为了满足拍摄和安装条件，交错肋通道采用透明的亚克力材料分别加工上下板面，在实验时压紧密封拼接.模型的几何无量纲数在真实叶片尾缘冷却单元无量纲几何参数范围内，流动参数通过无量纲雷诺数与真实叶片工况进行相似模化，雷诺数定义将在下文中详细描述.

参数示意如图3所示，其中楔形通道高度方向渐缩倾角为10°；为交错肋总长度；为交错肋总宽度；、分别为流道入口、出口处高度；为交错肋宽度；为流道宽度；为肋倾角.具体参数取值如表1所示，其中为子通道中截面平均水力直径；为润湿面积；为子通道的总个数.

实验得到了当=4 320，7 240，10 200，13 200，17 600 时，上下主表面的努塞尔数分布及均值，如图9所示.从努塞尔数分布上看，变化

1.3 实验原理及实验过程

(1)

式中：为壁面温度，可通过拍摄液晶的变色过程求解获取；为流体温度，通过热电偶记录获取；为壁面初始温度；为对流换热系数；为密度；为比热容；为导热系数、、等物性参数通过查表获取.由于在实验过程中无法保证与来流空气温度是阶跃变化的，所以将来流空气温度根据时间步离散化，引入Duhamel齐次化原理将式(1)简化如下：

式中：为空气质量流量;=147 mm，为楔形通道高度中截面上子通道的流通面积.

(2)

式中：为离散后的第个时间步, 下标为离散后的时间步序号.对拍摄的试件表面每一个像素点进行时间步叠加迭代求解，而后求取检测面上的换热系数分布.

实验前先对瞬态液晶进行标定，在铜板的表面喷涂黑漆，以黑漆作为瞬态液晶显色的背景.根据文献[12]，瞬态液晶厚度为17 μm时，显色测温效果最佳.计算好瞬态液晶的剂量之后将其稀释并均匀喷涂在铜板上.铜板的背面开有热电偶孔并且插入热电偶.用加热膜加热铜板到特定温度.以热电偶记录的铜板温度为基准，采用G通道峰值法对瞬态液晶进行标定.

实验时对丝网加热器的加热功率进行预调整，使得瞬态液晶从开始变色到完全变色的时间接近90 s.同步记录下热电偶的温度数据和瞬态液晶的变色录像，分别对应测点的气流温度和交错肋的主表面温度.压力测点布置如图4所示，在实验核心段共布置18个测点，交错肋的进出口各5个.14号测点为参考测点，其他测点与14号测点作差得到相对压力值.实验以25 Hz频率采集压力数据，并取时均值作为最终测得的压力数据.

1.1.6阐明蛋白质通常由20种氨基酸分子组成，它的功能取决于由氨基酸序列及其形成的空间结构，细胞的功能主要由蛋白质完成

2 实验数据处理

2.1 实验参数

子通道中截面雷诺数根据楔形通道高度中截面上子通道水力直径定义：

任务绩效容易受到感恩奉献、谦虚沉稳、包容宽恕等人际性心理资本的积极影响，其中任务绩效容易受到尊敬礼让的影响，但是影响不明显；而针对工作奉献来讲，尊敬礼让、包容宽恕、感恩奉献的影响较大；从整体上来看，针对人际促进来讲，人际型心理资本各个维度都能够呈现出较强的正向影响，其中对人际促进影响最大的为感恩奉献[5]。

(3)

式中：为通道中截面空气流速；为空气动力黏度，其与密度均基于楔形通道高度中截面空气的平均温度，通过进出口温度插值得到.

为方便实验中的测量计算，式(3)可以简化为

(4)

(f,-f,-1)

努塞尔数的定义如下：

(5)

式中：通过流体的温度数据以及液晶变色过程数据得到；为空气热导率.

给予西药治疗，予磷酸苯丙哌林片（每片含磷酸苯丙哌林26.4 mg，相当于苯丙哌林20 mg）26.4 mg，3次/d口服；予盐酸氨溴索口服溶液（规格为10 mL：30 mg/支）10 mL，3次/d口服。治疗1周为1个疗程，共2个疗程。

并未影响努塞尔数的整体分布趋势.对于上主表面，高换热段集中在靠近出口的底部区域；对于下主表面高换热区域集中在靠近入口的中部区域和顶部气流转折的下游区域.交错肋上、下主表面传热差异显著，下主表面平均努塞尔数高于上主表面30%以上.上、下通道之间的交界面处存在强烈的质量交换作用，上、下主表面间断性的高换热区与上下通道交界面呈现对应关系.

2.2 误差分析

本实验参考文献[14]使用的误差分析方法对实验误差进行分析.标定过程为稳态过程，实验中标定校准后的热电偶以及瞬态液晶测量温度的误差均为±0.5 ℃ ，而涡街流量计、实验件(加工)、压力扫描阀精度分别为1.5%、1%以及1.5%.时间项误差为±0.2 s，热电偶以及瞬态液晶随温度响应迅速，不考虑其动态响应过程.采用误差传递的计算方法得到：子通道中截面雷诺数最大误差为±2.1%，努塞尔数的最大误差为±6.7% .

3 结果与讨论

3.1 换热分析

当=17 600 时，获取的上主表面努塞尔数分布细节如图6所示.流体在入口经过35°折转角之后流入子通道.编号1～5的通道末端是出口，一部分流体通过交错肋上下通道交界面流出，另一部分直接流向出口.针对2～5号通道，流动方向的左侧肋壁相比右侧换热较强，这是因为来自下表面通道的流体对其存在冲击作用.楔形通道的高度随着流动渐缩，平均流速会增加，这使得壁面的换热也逐渐加强.顶部及根部的子通道尽头会接触到壁面，因此气流在此处发生折转产生很强的二次流，从通道6～9可以看出折转强化了换热.且由于通道的渐缩，加速的流体在折转情况下会产生更强的二次流，更进一步强化了通道末端的传热.通道10～13内出现间断性的换热增强，这是因为这些通道的流体全部来源于下部子通道，而上、下通道的折转角不同，通道内流体的压力变化也不同.上主表面的通道10～13与下主表面的中间主流通道直接相通，因此此处压力梯度较大.同时由于通道高度渐缩，流体速度沿通道方向逐渐增强，所以流体对壁面的冲击作用更强.方框中展示了上主表面通道1以及通道10～13换热间断性增强的细节.由于通道高度渐缩，来自下主表面的流体越过上下通道交界面并冲击上主表面肋壁，所以此处换热得到了增强.

当=17 600时，下主表面的努塞尔数分布如图7所示.从2～6通道的努塞尔数分布可以明显看出，下主表面出现了大片的高换热区域.这是由于下主表面通道的来流折转角比上主表面更大，所以入流后的转向冲击作用更加明显.同时由于上下子通道来流折转角的差异，上下子通道流体在交界面处发生了剧烈的质能交换.这种扰动使得下子通道换热得到增强(下子通道主表面换热高于上主表面子通道主表面30%以上).这在7～12号通道中更加明显，从方框中可以看到下主表面的高换热区间断出现，这与交界面的出现一一对应.同时由于高度渐缩带来的流速增加，10～12号通道的扰动也更明显，努塞尔数大幅提高.

高压与低压是普通人的称呼，在医学上称为收缩压与舒张压。对应的是心脏收缩期血液对血管壁的最高压力值和心脏舒张期血管壁对血液的最低压力值。在心脏收缩射血时，整个动脉系统就好比一个气球一样被拉伸膨胀容纳心脏射出的血液，这时候的最大压力是收缩压。当心脏收缩时，主动脉瓣关闭，动脉系统又靠自己的弹性回缩挤压血液继续前行，这时的最低压力值就是舒张压。收缩压与舒张压彼此往复，血液在它们共同推动下而循环不息。

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