前緣氣膜孔布局對渦輪轉子葉片流動傳熱的影響

吳向宇，丁新星，謝建文，張志述，韓緒軍

（中國航發沈陽發動機研究所，沈陽110015）

前緣氣膜孔布局對渦輪轉子葉片流動傳熱的影響

吳向宇，丁新星，謝建文，張志述，韓緒軍

（中國航發沈陽發動機研究所，沈陽110015）

為了研究不同前緣氣膜孔布局對葉片內部冷卻系統、溫度場分布的影響，針對某典型沖擊-對流-氣膜復合冷卻高壓渦輪轉子葉片，保持葉片主體冷卻結構不變，通過改變葉片前緣各列氣膜孔的數量形成5種結構方案，完成了1維流動換熱及3維有限元溫度場計算。并模擬發動機工況，試驗研究了葉片內腔流量特性、葉片中下部2個截面的平均冷卻效果隨壓比、流量比的變化規律。計算及試驗結果均表明：渦輪轉子葉片前緣氣膜孔數量及布局對葉片前腔冷氣量、前緣溫度分布影響明顯，而對后腔冷氣量、尾緣溫度影響較小。

氣膜冷卻；渦輪轉子葉片；流量特性；冷卻效果;航空發動機

0 引言

從19世紀70年代起，氣膜冷卻作為1項新的冷卻技術應用于渦輪葉片以來，已經成為渦輪葉片外表面的重要冷卻技術。渦輪導向葉片和轉子葉片前緣承受最大的熱負荷，是重要的冷卻區域，前緣周圍通常設計有密集的冷卻孔陣列（稱為噴淋頭）。Polanka 等[1]、Witteveld 等[2]、Cutbith 和 Bogard[3]在低和高主流紊流強度條件下，測量了模擬導向葉片噴淋頭內和下游的氣膜冷卻效率；Ames[4]等試驗研究了噴淋頭吹風對傳熱系數的影響，在高主流紊流強度條件下，緊靠噴淋頭下游，傳熱系數比無吹風時的基準值提高20%。

為確定氣膜冷卻效率、傳熱系數和凈熱流降低量，Mehendale和Han[5]試驗了4排孔結構：孔排位置設在距駐點線±15°和±40°處。氣膜冷卻效率在吹風比0.8時達到最高。橫向平均的氣膜冷卻效率η在第1排孔下游為0.44，在第2排孔下游為0.55。出于相同的目的，Reiss和B?lcs[6]試驗了5排孔結構：孔排位于距駐點線 0°、±20°、±40°處，吹風比范圍為0.6～1.5，研究的焦點是比較圓柱形孔和2種不同擴展結構成型孔的相對冷卻效率?？偟膩碚f，簸箕形孔的平均氣膜冷卻效率η=0.4～0.5，高于圓柱形孔和徑向擴展孔。Albert等[7]、Mouzon等[8]采用3排簸箕形孔結構做了試驗，研究結果發現氣膜冷卻效率隨著吹風比增大而提高，在吹風比2.5時，得到最大的傳熱系數和最大的凈熱流降低量。

國內高校等研究機構也在氣膜冷卻流動換熱及冷卻效率方面開展了試驗及數值研究。李廣超、朱惠人、戴萍等[10]研究了氣膜孔布局、幾何結構對葉片氣膜冷卻效率及表面氣膜冷卻換熱系數的影響；朱進容等[13]研究了旋轉狀態下渦輪葉片前緣的流動與換熱；顏培剛等[14]對渦輪葉柵前緣氣膜冷卻進行了數值模擬。

本文針對某典型高壓渦輪轉子葉片前緣氣膜冷卻孔位置排布對葉片流量分配及溫度場進行了計算分析及試驗研究，并與前緣不開氣膜孔的結果進行了對比分析。

1 葉片前緣冷卻結構

先進的高壓渦輪轉子葉片普遍采用外部氣膜冷卻與內流冷卻相結合的復合冷卻方法，葉片內部結構趨向復雜，因此引入肋壁強化換熱、擾流柱強化換熱等以提高冷卻效率。典型的高壓渦輪轉子葉片多采用整體鑄造蓋板，對流沖擊氣膜多通道復合冷卻形式：冷卻空氣從葉片榫頭底部進入葉片內部，之后分成2～3個獨立通道分別對葉片前緣、中部及尾緣進行冷卻，通常對前緣采用帶肋通道回轉對流加沖擊對流強化冷卻及外表面多排氣膜孔冷卻；對葉身中部采用帶肋壁的多通道回轉對流加氣膜冷卻；對葉片尾緣采用擾流肋及擾流柱強化對流冷卻加尾緣劈縫氣膜冷卻；對葉尖通常在頂蓋上設有氣膜孔進行冷卻，部分葉片在緣板部位設計了離散氣膜孔對緣板進行冷卻。

所研究的渦輪轉子葉片前緣結構與先進高壓渦輪轉子葉片冷卻結構（如圖1所示）類似，對葉片采用雙腔7通道對流-沖擊-氣膜復合冷卻形式，前3個通道為前腔，后4個通道為后腔。前腔冷氣從第2通道沖擊進入第1通道，從分布于前緣及葉尖的氣膜孔流出。葉片前緣設有5排氣膜孔，將前緣中間3列氣膜孔設計成徑向復合傾斜（孔徑Ф0.5），另外2列氣膜孔在葉型截面上傾斜（孔徑Ф0.3），如圖2所示。

在渦輪冷卻葉片氣膜孔設計時除了考慮冷卻需要之外，開設氣膜孔帶來的應力集中等強度壽命問題是設計者必須關注的焦點，對于高壓渦輪轉子葉片尤其如此。計算分析及試驗研究的5種葉片前緣氣膜孔布局方案是以上述方案為基礎，考慮到氣膜孔對葉片局部強度的影響設計了不同的氣膜孔布局。其中方案4葉片前緣無氣膜孔，另外4種方案葉片前緣氣膜孔布局如圖3所示。各方案葉片各列氣膜孔的數量分布情況見表1。重點研究了氣膜孔對渦輪轉子葉片前緣流動傳熱的影響，研究時保持葉片主體冷卻結構不變，分別改變葉片前緣各列氣膜孔的數量形成不同的結構方案，進行葉片冷卻系統、溫度場計算分析及流量特性、冷卻效果試驗。

表1 葉片前緣氣膜孔數量

2 冷卻系統及溫度場計算分析

將葉片內部冷卻結構離散成典型的流動和換熱單元，采用如文獻[16]中所提到的1維流動網絡法進行葉片流動換熱計算（如圖4所示）。根據各方案葉片相對冷氣用量（如圖5所示并見表2）及葉片前緣氣膜孔位置給出的計算結果分析，方案4前腔及總冷氣用量均小于其他方案的，后腔冷氣量略大。其他方案葉片后腔冷氣量變化較小，前腔流量及總流量從大到小依次為方案3、2、5、1。

表2 葉片相對用氣量計算結果（相對于高壓壓氣機進口） %

采用商用軟件ANSYS完成葉片3維有限元溫度場計算。結果表明前緣氣膜孔的變化對葉片尾緣溫度基本無影響，各方案葉片前緣局部溫度及分布變化明顯。方案4葉片前緣無氣膜孔，溫度最高，方案1前緣下部及方案5中上部溫度略高，方案2、3溫度接近。各方案葉片3維有限元溫度場計算前緣局部溫度的對比情況如圖6所示。葉片冷氣用量及溫度分布的變化情況直接反映了葉片前緣不同列氣膜孔數量及布局變化對冷氣出流面積（流阻）及氣膜覆蓋效果等所帶來的影響。

3 流量特性及冷卻效果試驗對比分析

不同前緣氣膜孔排布的5種結構方案流量特性試驗在常溫條件下進行，試驗件由4片陪襯件和1片主試驗件組成扇形葉柵通道。在試驗時堵住葉片后腔，只給前腔供冷氣，首先將主流氣參數調到試驗狀態，然后通過調節冷氣的壓力測得測量葉片前腔冷氣流量隨冷氣進口總壓與葉柵出口燃氣靜壓比的變化曲線，進、出口壓比在1.0～2.4范圍內變化。流量特性試驗裝置如圖7所示。

流量特性試驗獲得的方案1、2、3、5葉片前腔流量隨冷氣進、出口壓比的變化規律如圖8所示。由于方案4的前緣葉身無氣膜孔，只有葉尖頂蓋上有幾個小的除塵孔，實際流量非常小。受小流量測量儀器測量能力限制，未能獲得方案4的流量特性曲線。從其它各方案試驗結果可見，葉片前腔流量特性變化規律一致，換算流量均隨著壓比的增大而增大，并且趨勢逐漸變緩，特別是經過臨界壓比后，換算流量基本不再增加。在相同壓比條件下，葉片前腔流量由大到小依次為方案2、5、3、1、4，各方案流量大小關系一方面與氣膜孔數量相關，同時也與孔在前緣的具體位置相關。

采用與流量特性相同的試驗裝置模擬發動機實際工況條件下，對上述5種不同前緣氣膜孔排布結構葉片進行2個截面的冷卻效果試驗。主試驗件表面埋設了多個熱電偶進行葉片壁溫測量，為更多獲得葉片前緣的溫度數據，在不影響氣膜孔出流的情況下，盡可能多地在葉片前緣多布置熱電偶，并且為了使各方案的冷效數據具有對比性，所有方案的對應測點位置保持一致。熱電偶序號布置位置如圖9所示?？紤]試驗件測試改裝實際工藝能力，在葉身中間截面及中間靠下截面布置32個測點，其中中截面15個測點（序號2～16），中間靠下截面17個測點（序號 1～17）。

在試驗時，調節主流燃氣屬性和溫比達到試驗要求的參數值，改變冷氣進口流量使流量比在0.01～0.04范圍內變化，測量并記錄葉片表面的溫度同時記錄壓比與表面壁溫對應的數據值，得出該狀態下冷卻效果隨壓比的變化曲線，各方案試驗參數及過程均相同。

以試驗測得的葉片表面平均溫度為壁溫，計算得到各方案葉片的平均冷卻效果隨進、出口壓比的變化趨勢如10所示。試驗獲得的冷卻效果隨冷氣與燃氣流量比的變化規律如圖11所示。從圖中可見，各方案冷卻效果隨壓比的變化趨勢基本一致，在同一壓比下，冷卻效果從高到低依次為方案3、2、5、1、4，這與流量特性試驗結果的排列順序稍有不同，可能是因為熱電偶損壞使得局部測點沒有溫度數據造成的。與其他方案相比，方案4由于前緣沒有氣膜孔，葉片整體壁溫偏高，冷卻效果明顯偏低。分析各方案葉片冷卻效果隨流量比的變化規律與隨壓比的變化規律相一致。

4 結論

（1）高壓渦輪轉子葉片前緣陣列式氣膜孔設計是降低葉片局部溫度的有效措施，氣膜孔孔徑、數量及分布對葉片前腔流量分配、前緣溫度分布有明顯影響，對后腔流量、葉片尾緣溫度影響相對較??；流量大小關系與氣膜孔孔徑和數量相關，也和氣膜孔在前緣的具體位置有關。

（2）葉片前緣只有內部對流沖擊冷卻而無氣膜冷卻時（方案4），葉片前腔流量偏小，前緣溫度偏高，冷卻效果偏低。試驗結果表明，在相同壓比下，前腔流量及總流量從大到小依次為方案2、5、3、1、4；冷卻效果從高到低依次為方案 3、2、5、1、4。

（3）同一方案葉片換算流量及冷卻效果均在一定范圍內隨冷氣與燃氣壓比的增大而增大。葉片內部冷卻系統1維流動換熱計算及3維有限元溫度場計算結果與流量特性、冷卻效果試驗結論基本一致。

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[2]Witteveld V C,PolankaM D,Bogard D G.Film cooling effectiveness in the showerhead region of a gas turbine vane partⅡ:stagnation region and near suction side[R].ASME 99-GT-049.

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Influence of Leading Edge Film Holes Layout on Turbine Rotor Blade Flow and Heat Transfer Characteristics

WU Xiang-yu， DING Xin-xing， XIE Jian-wen， ZHANG Zhi-shu， HAN Xu-jun
（AECC Shenyang Engine Research Institute,Shenyang 110015,China）

In order to investigate the influence of different leading edge film holes layout on the internal cooling system and metal temperature distribution,a typical impinging-convection-film cooling high pressure turbine rotor blade were carried out.One dimensional flow heat transfer and three dimensional finite element temperature prediction were accomplished for five different schemes,which the number of film holes of each column in leading edge was changed respectively and the main body cooling structure of blade maintain unchanged.Tests were performed under simulated real engine operating conditions.The internal flow characteristics and the average cooling effectiveness of two sections of the blade were studied with different pressure ratio and flow ratio.Both the calculation and experiment results show that the number of the film holes and the layout of the holes in the leading edge of the turbine rotor blades have a significant effect on cooling air flow of the front cavity and leading edge temperature distribution,and the influence on cooling air flow of back cavity and trailing edge temperature distribution are slight.

film-cooling;turbine blade;flow characteristics;cooling effectiveness;aeroengine

V 231.1

A

10.13477/j.cnki.aeroengine.2017.03.002

2016-08-15 基金項目：國防重點科研項目資助

吳向宇（1969），女，博士，自然科學研究員，從事渦輪冷卻葉片設計工作；E-mail:wxy6998@sina.com。

吳向宇，丁新星，謝建文,等.前緣氣膜孔布局對渦輪轉子葉片流動傳熱的影響[J].航空發動機，2017，43（3）：5-9.WUXiangyu,DingXinxing,XIE Jianwen,et al.Influence ofleadingedge filmholes layout on turbine rotor blade flowand heat transfer characteristics[J].Aeroengine，2017，43（3）：5-9.