振動平板單孔氣膜冷卻實驗研究

高　媛，　葛利順，　王宏光，　韓鐵鷹

(1．上海理工大學 能源與動力工程學院，上海 200093；2.上海市動力工程多相流動與傳熱重點實驗室,上海 200093;3．中電投珠海橫琴熱電有限公司，廣東珠海 519031)

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振動平板單孔氣膜冷卻實驗研究

高媛1,2，葛利順1,2，王宏光1,2，韓鐵鷹3

(1．上海理工大學 能源與動力工程學院，上海 200093；2.上海市動力工程多相流動與傳熱重點實驗室,上海 200093;3．中電投珠海橫琴熱電有限公司，廣東珠海 519031)

基于高溫風洞實驗臺，采用紅外熱成像技術和機械振動機構對振動平板單孔氣膜冷卻特性進行了實驗研究.測量吹風比在0.4～1.8范圍內，靜態以及振動狀態下的氣膜冷卻效果，并分析了振幅(0～5 mm)和頻率(0～20 Hz)等因素對氣膜冷卻效果的影響.結果表明：振動會削弱氣膜冷卻效果；與頻率相比，振幅對氣膜冷卻效果的影響更大；隨著吹風比的增大，同一振動對氣膜冷卻效果的影響變小；頻率不同的振動對氣膜冷卻效果的影響相近，在X/D=5～10內，平均有效溫比降低約3%；振幅不同的振動對氣膜冷卻效果的影響是相近的，在X/D=5～10內，平均有效溫比降低約5%.

氣膜冷卻； 振動； 氣膜有效溫比； 頻率； 實驗研究

氣膜冷卻是一種應用廣泛的冷卻技術，通過在高溫部件表面開設小孔，將冷卻介質通過小孔以橫向射流形式注入主流中，在主流的壓迫作用下，射流彎曲并覆蓋于高溫部件表面，形成一個低溫氣膜，從而對高溫部件起到隔熱和冷卻作用[1].透平葉片采用氣膜冷卻后，可以提高透平進口燃氣溫度，從而提高機組熱效率，增大比功.通常影響氣膜冷卻效果的因素有：氣膜孔的氣動參數、氣膜孔的幾何參數、葉片的幾何參數和其他因素[2-5].Burdet等[6]研究了近氣膜孔出口的壓力脈動對平板氣膜冷卻的影響.透平葉片氣膜冷卻噴射流脈動是由近氣膜孔出口處的壓力脈動造成的，而壓力脈動是由動靜轉子相互作用引起的.經實驗發現氣膜孔出口附近壓力的脈動會影響吹風比，進而影響噴射流下游氣膜冷卻的效果.Babaee等[7]采用隨機配置吹風比-直接數值模擬的方法研究了不穩定吹風比對平板氣膜冷卻效率的影響.McClintic等[8]研究了內部橫向流對復合角度氣膜冷卻絕熱有效度的影響，結果顯示帶有橫向流的絕熱有效度明顯比一般靜態的值大.

振動能夠強化傳熱，各國學者對振動強化傳熱這一問題進行了大量的研究[9-11].林宗虎等[12]系統總結了振動強化傳熱問題的研究結果，表明換熱表面的振動可以將自然對流的傳熱系數增大30%～2 000%，可以使強制對流的傳熱系數增大20%～400%.王一平等[13]對平板在振動條件下的傳熱性能進行了實驗研究，分析了低速流體交錯流過振動平板(冷熱氣體在平板兩側交錯流動)時的傳熱性能，結果顯示振動能夠提高換熱板的傳熱系數，與靜態平板相比，其傳熱效率隨冷熱氣體進口溫差的增大變化趨向平緩；相比于頻率，振幅對傳熱效果的影響更大.

燃氣輪機透平動葉片由金屬材料制成，在靜葉尾跡、氣流沖擊和轉子不平衡等多種因素的激勵下，其工作時處于振動狀態.透平動葉片振動會強化傳熱，因此研究葉片振動對透平動葉片冷卻的影響是葉片冷卻技術研究中值得關注的問題，對完善葉片冷卻設計有參考價值.

由于透平動葉片是在高溫、高速的燃氣流動環境中工作，現有的實驗條件無法建立這樣的燃氣流動環境；實際葉片的振動頻率很高(一階頻率在幾百到幾千赫茲)，也給測量帶來了困難；實際葉片表面形狀復雜，影響其冷卻效果的因素很多.筆者將實際振動葉片多排孔氣膜冷卻簡化為振動平板單孔氣膜冷卻，在現有實驗條件的氣流溫度、氣流速度、頻率和振幅等參數下研究振動對平板氣膜冷卻的影響.

1　實驗裝置

1.1實驗風洞

圖1為氣膜冷卻實驗臺示意圖.實驗在具有排氣能量回收利用功能的風洞中進行，該風洞為開路、直流吹風式高溫低速風洞，由氣-氣換熱器、電加熱器、擴散段、蜂窩器、穩定段、收縮段以及連接通道等組成.

由離心式鼓風機9提供流量可控的壓縮空氣進入到氣-氣換熱器10，利用排氣余熱預熱，然后進入電加熱器11，被加熱的空氣進入風洞12，流經擴散段、蜂窩器，然后進入穩壓段及收縮段，速度穩定后進入到實驗段.冷氣由螺桿式空氣壓縮機1提供，流經儲氣罐2、冷干機3和空氣濾清器4后，由氣體流量計5控制冷氣流量.從實驗段流出的氣體再進入氣-氣換熱器10預熱，最后流入煙囪14中完成一個循環.

1—螺桿式空氣壓縮機；2—儲氣罐；3—冷干機；4—空氣濾清器；5—氣體流量計；6—機械振動機構；7—轉速儀；8—紅外熱像儀；9—離心式鼓風機；10—氣-氣換熱器；11—電加熱器；12—風洞；13—電子控制裝置；14—煙囪.

圖1氣膜冷卻實驗臺示意圖

Fig.1Experimental system for measurement of film cooling effectiveness

1.2實驗段與機械振動機構

實驗段為一長方形通道，長×寬×高為400 mm×100 mm×60 mm，由厚度為5 mm的不銹鋼鋼板焊接加工而成.實驗通道在距離進口端70 mm處的上下端面各開一個82 mm×130 mm大小的窗口，上端面窗口為紅外透射窗口，下端面窗口用于安裝振動平板.

紅外透射窗口是一塊鑲嵌有直徑為50 mm的藍寶石玻璃的不銹鋼板.實驗時，紅外熱像儀通過該藍寶石玻璃窗口采集氣膜孔周圍的溫度數據.

振動平板放在實驗段下端面窗口上，振動平板下方連接機械振動機構6，可使振動平板以設定的振幅及頻率上下振動.振動平板由不銹鋼材料制成，厚度為5 mm，中心線上鉆有一個直徑D=4 mm、朝主流方向傾斜35°的射流孔，在孔的下方焊有一內徑為6 mm、外徑為10 mm的不銹鋼鋼管，供冷氣導入.振動平板下方焊有一塊T形支撐鋼板，用以傳遞來自電機的動力，使平板上下振動.振動平板上方需噴涂一層耐高溫、發射率為0.95的黑色啞光漆，以便更好地進行溫度測量.在振動平板的下方以及實驗段通道的外部噴涂一層耐高溫隔熱保溫涂料，涂完保溫涂料后再在外部包裹一層絕熱石棉，以便對振動平板下方進行有效絕熱.在振動平板下方氣膜孔前12 mm、孔后8 mm和40 mm中心線上打沉孔并布置3個熱電偶(如圖2所示)，用以標定紅外熱像儀.

圖2　標定熱電偶的位置Fig.2　Positioning and calibration of thermocouples

機械振動機構主要由直流電機、調速器、可調偏心距的圓盤、振動桿、直線軸承和支撐架等組成，實驗段簡圖如圖3所示.

圖3　實驗段簡圖Fig.3　Schematic diagram of the test section

2　實驗測量

實驗主要測量位置在斷面a-a和斷面b-b處，如圖1所示.斷面a-a處主要由氣體流量計來測量和控制冷卻氣體的流量和溫度，斷面b-b處由皮托管測量和計算主流速度并通過調節鼓風機的運轉頻率來控制主流速度，斷面b-b處采用鎧裝熱電偶來測量主流溫度，通過調節加熱器控制主流溫度.

振動平板表面溫度測量設備為日本NEC公司所生產的TH5104R紅外熱像儀，設備的工作波段為3～5.3 μm，測量溫度范圍為-10～800 °C，溫度分辨率為0.1 K，測量精度為±1.0%.通過紅外熱像儀可以測得振動平板上的二維溫度分布.

射流流量由美國Alicat科技有限公司生產的型號為ALIMAN16C的單向氣體流量計進行控制，量程為50 L/min，精度為±0.8%×讀數±0.2%×滿量程.

測量主流溫度的熱電偶采用上海美凱友迪儀表有限公司生產的型號為WRNK-233的鎧裝熱電偶(K分度號)，熱電偶的材質為鎳鉻-鎳硅，測量范圍為0～800 ℃.若在5 min之內熱電偶讀數的波動幅度小于±0.2 K，則認為系統溫度達到穩定；主流溫度穩定在463 K.

用來標定紅外熱像儀的熱電偶型號為WRN-104，K分度號，測量范圍為0～1 000 ℃.圖4給出了紅外熱像儀的標定曲線.從圖4可以看出，紅外熱像儀顯示的溫度略低于熱電偶測得的溫度.出現這種現象的原因是紅外熱像儀在測量過程中會受到振動平板表面發射率、反射率、紅外玻璃透射率和大氣環境等多種因素的影響.

圖4　紅外熱像儀標定曲線Fig.4　Calibration curves of the infrared thermography

通過電子控制設備調節離心式鼓風機的輸入電流頻率，控制其葉片旋轉速度，進而控制輸入風量即主流流量；通過直流電機調速器控制直流電機轉速，進而控制振動平板的頻率；通過調節偏心圓盤的偏心距來調節振動平板的振幅.

3　實驗結果處理與分析

氣膜有效溫比η定義為

(1)

式中：T∞為主流溫度；Tw為絕熱壁溫；Tj為冷卻射流溫度.

吹風比λ定義為冷卻射流與主流氣體的密流之比

(2)

式中：ρj為冷卻射流密度；uj為冷卻射流速度；ρ∞為主流氣體密度；u∞為主流氣體速度.

筆者以射流孔中心為采集數據的坐標原點O，定義沿主流流動方向為X坐標方向，在振動平板所在平面且垂直于X坐標方向的為Z坐標方向，垂直于振動平板所在平面的為Y坐標方向.D為射流孔直徑.

3.1頻率對氣膜有效溫比的影響

在振動平板振幅相同的條件下進行不同頻率的實驗，實驗工況如表1所示.

表1　不同轉速實驗工況

圖5為靜態及不同頻率下瞬態氣膜孔周圍溫度分布的紅外熱像圖.從圖5不難發現，相比靜態，振動情況下的冷卻氣流對氣膜孔周圍壁面的冷卻范圍有所減小；頻率對氣膜孔周圍壁面的冷卻效果影響相差不大.振動能夠強化冷熱氣體之間的傳熱傳質，使得冷卻氣體與主流氣體之間的傳熱傳質增強，因此在振動平板振動時，冷卻氣流對氣膜孔周圍壁面的冷卻效果下降.

圖6為靜態及不同頻率下沿主流方向氣膜孔中心線上的氣膜有效溫比曲線.由圖6可知，振動情況下的氣膜有效溫比低于靜態情況下的氣膜有效溫比；在本實驗的頻率范圍內，不同頻率的振動對氣膜有效溫比的影響值相差小于5‰；振動條件下的氣膜有效溫比曲線較靜態時并沒有很大差異，曲線的變化趨勢一致.在X/D=5處(X/D為主流氣體流動方向坐標值與射流孔直徑之比)，振動時的氣膜有效溫比較靜態時降低3.2%左右；在X/D=10處，振動時的氣膜有效溫比較靜態時降低3.1%左右.

開發任何一種信息管理系統對運行環境都有一定的要求。在開發時，開發人員選擇系統開發的工具，往往也會影響到開發本系統進度的快慢。有時，一個很不適合的開發工具，在程序調試時，會花費大量的人力。下面從開發本設計模塊時用到的軟件進行簡單介紹。

3.2振幅對氣膜有效溫比及溫度的影響

在振動平板頻率相同的條件下，進行不同振幅

(a) 靜態

(b) f=3.33 Hz

(c) f=10.00 Hz

(d) f=16.67 Hz圖5　靜態及不同頻率下的紅外熱像圖

Fig.5Infrared thermal images at steady state and different frequencies of vibration

圖6　靜態及不同頻率下的氣膜有效溫比曲線

Fig.6Curves of effective temperature ratio at steady state and different frequencies of vibration

下的冷卻實驗，實驗工況如表2所示.圖7為靜態及不同振幅下氣膜孔周圍溫度分布的紅外熱像圖.由圖7可知，振動情況下的冷卻氣流對氣膜孔周圍的冷卻范圍有所減小，且不同振幅下的冷卻氣流對氣膜孔周圍壁面的冷卻效果相差不大.不同振幅的振動對氣膜孔周圍壁面冷卻效果類似于不同頻率振動的冷卻效果.

表2不同振幅實驗工況

Tab.2Experimental conditions at different amplitudes of vibration

振幅/mm頻率/Hz吹風比主流溫度/K射流溫度/K主流質量流量/(g·s-1)射流質量流量/(g·s-1)1101.0463295.31213.9040.4482101.0463294.89213.9040.4483101.0463295.38213.9040.4484101.0463295.37213.9040.4485101.0463295.42213.9040.448

(a) 靜態

(b) A=1 mm

(c) A=3 mm

(d) A=5 mm圖7　靜態及不同振幅下的紅外熱像圖

Fig.7Infrared thermal images at steady state and different amplitudes of vibration

圖8為靜態及不同振幅條件下沿主流方向氣膜孔中心線上的氣膜有效溫比曲線.由圖8可知，振動情況下的氣膜有效溫比低于靜態時的氣膜有效溫比，且不同振幅的振動對氣膜有效溫比的影響相近.不同振幅振動的氣膜有效溫比曲線較靜態時沒有發生很大波動，曲線變化趨勢大致相同.在X/D=5處，振動時的氣膜有效溫比較靜態時降低4.8%左右；在X/D=10處，振動時的氣膜有效溫比較靜態時降低5.1%左右.

圖8　靜態及不同振幅下的氣膜有效溫比曲線

Fig.8Curves of effective temperature ratio at steady state and different amplitudes of vibration

通過比較可以發現，振幅較頻率對氣膜有效溫比的影響更大.在本實驗的頻率及振幅范圍內，頻率對氣膜有效溫比的影響在3%左右；振幅對氣膜有效溫比的影響在5%左右.

3.3振動對不同吹風比下氣膜有效溫比及溫度的影響

在振動平板的頻率和振幅不變的條件下，進行不同吹風比下的氣膜冷卻實驗，實驗工況參數如表3所示.

表3　不同吹風比下氣膜冷卻實驗工況

圖9為不同吹風比下靜態與振動時沿主流方向氣膜孔中心線上的氣膜有效溫比曲線圖.從圖9可以看出，振動時的氣膜有效溫比低于靜態時的氣膜有效溫比，且隨著吹風比的增大，振動對氣膜有效溫比的影響變小.這是由于低吹風比時，從氣膜孔射出的冷卻氣流距離冷卻壁面近，振動對冷熱氣流熱量的交換影響更大，使得壁面冷卻效果下降更顯著；反之，高吹風比時，壁面的冷卻效果下降不明顯.吹風比λ=0.4時，在X/D=5處，振動時的氣膜有效溫比較靜態時低約9.0%，在X/D=10處，振動時的氣膜有效溫比較靜態時低約10.0%；吹風比λ=1.8時，在X/D=5處，振動時的氣膜有效溫比較靜態時低約3.7%，在X/D=10處，振動時的氣膜有效溫比較靜態時低約3.9%.

圖10為靜態與振動條件下垂直于主流方向氣膜孔中心線的氣膜有效溫比曲線.從圖10可以看出，振動并沒有破壞該方向氣膜孔中心線上氣膜有效溫比曲線的“單駝峰”結構，但是對應“單駝峰”的最高值降低了，并且“單駝峰”的錐度變大，即氣膜有效溫比較靜態時的變化更為平緩.吹風比λ=0.4時，在Z/D=0處(Z/D為垂直于主流流動方向的坐標值與射流孔直徑之比)，振動時的氣膜有效溫比較靜態時低約16.7%；吹風比λ=1.8時，在Z/D=0處，振動時的氣膜有效溫比較靜態時低約8.5%.

(a) λ=0.4

(b) λ=0.6

(c) λ=0.8

(d) λ=1.0

(e) λ=1.5

(f) λ=1.8圖9　各吹風比下靜態與振動時的氣膜有效溫比Fig.9　Effective temperature ratio at steady-state and vibrating conditions with different blow ratios

(a) 靜態

(b) 振動圖10　垂直于主流方向靜態與振動時的氣膜有效溫比曲線Fig.10　Steady-state and vibrating effectiveness in the direction perpendicular to main flow

4　結　論

(1) 不同振動頻率下,振動時的氣膜有效溫比曲線較靜態時沒有發生很大的波動，曲線的變化趨勢一致.在X/D=5處，振動時的氣膜有效溫比較靜態時降低3.2%左右；在X/D=10處，振動時的氣膜有效溫比較靜態時降低3.1%左右.

(2) 不同振幅振動條件下的氣膜有效溫比曲線較靜態時沒有發生很大波動，曲線變化趨勢大致相同.在X/D=5處，振動時的氣膜有效溫比較靜態時降低4.8%左右；在X/D=10處，振動時的氣膜有效溫比較靜態時降低5.1%左右.

(3) 在本實驗頻率與振幅范圍內，振幅較頻率對氣膜有效溫比的影響更大.頻率對氣膜有效溫比的影響在3%左右；振幅對氣膜有效溫比的影響在5%左右.

(4) 隨著吹風比的增大，振動對氣膜有效溫比的影響變小.

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Experimental Study on Single-hole Film Cooling Effectiveness over Vibrating Plates

GAOYuan1,2,GELishun1,2,WANGHongguang1,2,HANTieying3

(1. School of Energy and Power Engineering, University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093, China; 2. Shanghai Key Laboratory of Multiphase Flow and Heat Transfer in Power Engineering, Shanghai 200093, China; 3. CPI Zhuhai Hengqin Thermal Power Co., Ltd., Zhuhai 519031, Guangdong Province, China)

Experimental study on single-hole film cooling characteristics over vibrating plates was conducted in a high-temperature wind tunnel test setup using infrared thermography and mechanical vibration mechanism, so as to measure the film cooling effectiveness under steady-state and vibrating conditions with the blow ratio in 0.4-1.8, and to analyze the effects of amplitude (0-5 mm) and frequency (0-20 Hz) on the cooling effectiveness. Results show that the film cooling effectiveness is weakened by vibration, which is also affected more by amplitude than by frequency; with the rise of blow ratio, the influence of vibration reduces on film cooling effectiveness; the curves of mean effective temperature ratio respectively at varying vibration frequences and amplitudes are similar to that in steady-state conditions, and their data would be reduced by 3% and 5% accordingly in the case ofX/D=5-10.

film cooling; vibration; effective temperature ratio of film; frequency; experimental study

2015-06-23

2015-12-09

上海市科委科研計劃資助項目(13DZ2260900)

高媛(1992-)，女，江蘇南京人，碩士研究生，主要從事氣膜冷卻、并聯管組等方面的研究.電話(Tel.):18818261956；

E-mail：ge-li-shun@163.com.

1674-7607(2016)09-0704-07

TK229

A學科分類號：470.30