無氣膜冷卻的渦輪葉片流動實驗和數值模擬

成文娟 付猛

摘 ?要：本文在跨音速葉柵風洞中進行流動實驗，對按相似原理放大的模型葉片的壓力面和吸力面進行了壓力測量，研究了接近真實狀態的雷諾數以及馬赫數對葉片流動系數的影響，并通過數值模擬來驗證實驗的準確程度。研究結果表明，壓力面和吸力面的壓力系數隨著雷諾數的增大幾乎沒有變化;葉柵出口馬赫數變化對葉片表面流動系數的分布呈現不同的規律;計算出的壓力系數在大部分區域都與實驗結果吻合較好。

關鍵詞：高速葉柵風洞;葉片;雷諾數;馬赫數;流動系數

中圖分類號：V231.3 ? ? 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2019）05-0007-04

Abstract：In this paper，flow experiments were carried out in a transonic cascade heat transfer wind tunnel，the pressure and suction surfaces of model blades enlarged according to similarity principle were measured.The effects of Reynolds number and Mach number on the flow coefficients of the blades were studied. The accuracy of the experiments was verified by numerical simulation. The results show that the pressure coefficients of pressure surface and suction surface hardly change with the increase of Reynolds number;the distribution of flow coefficients on blade surface varies with the change of Mach number at cascade outlet;and the calculated pressure coefficients agree well with the experimental results in most regions.

Keywords：short-duration transonic cascade wind tunnel;blades;Reynolds number;Mach number;transfeflowr coefficient

0 ?引 ?言

多年來，許多國內外的研究人員在渦輪葉片流動方面做了許多實驗方面的研究和數值模擬工作，并取得了相關方面的大量數據，對低速狀態下葉片流動機理不斷獲得新的認識，但有關渦輪葉片高速流動狀態下的研究還比較薄弱，還在不斷發展，該項技術在高溫部件的潛力有待進一步開發和利用。

Holger Brandt等人[1]在高速風洞上詳細測量了吸力面上采用圓孔（兩種不同傾角）、簡單扇形孔、laid-back沿流向傾角以及組合出氣角的扇形孔出流的流動，流動測量使用壓力探針，三維熱線風速儀，吸力面使用油和燃料可視化技術，尾跡區使用氣動探針，換熱測量使用穩態寬帶液晶技術，葉片采用電加熱。

Gregory M.Laskowski等人[2]通過CFD軟件對NASA C3X葉片和VKI轉子的表面壓力和換熱系數做了模擬，發現無氣膜冷卻時實驗數據和數值模擬是一致的。Wolfgang Ganzert等人[3]用高速風洞和穩態液晶技術研究了孔型和出氣角對吸力面換熱的影響，測量了葉柵總壓損失系數，靜壓分布、油和燃料的可視化給出了孔附近的表面流動狀態和邊界層的發展情況。本文的主要內容是在跨音速葉柵傳熱風洞中，研究進口雷諾數、出口馬赫數對渦輪葉片表面流動系數的影響，并通過數值模擬來驗證實驗的準確性。

1 ?實驗裝置及實驗方法

實驗是在跨音速葉柵傳熱風洞中進行的，風洞實驗原理如圖1所示，大開角擴散段和穩壓艙位于實驗段上游，其目的是保證氣流進入實驗段后比較均勻。葉柵的進口雷諾數和出口馬赫數通過調節葉柵進、出口的壓力來確保，而葉柵上游的節流閥、下游的蝶閥以及引射器（均為手動調節）可以共同調節葉柵進、出口壓力。

實驗段通道截面形狀為700mm×120mm的矩形，實驗葉片弦長為122mm，柵距為87.5mm，進氣角90°，出氣角15°，葉高為120mm，共由8片直葉片組成，中間2片葉片為無氣膜孔的環氧樹脂葉片，其余均為鋼制葉片，靜壓孔布置如圖2所示;流動實驗是在位于實驗葉片左側的一個鋼制葉片上打孔來測量壓力分布，葉背側布有16個測量靜壓的小孔，這些小孔通過多根塑料導管以及壓力掃描閥進行連接、測量葉背和葉盆面的靜壓。

2 ?實驗工況與數據處理方法

3 ?實驗結果分析

實驗葉柵進口雷諾數Re的范圍為10×104～80×104，出口馬赫數Ma的范圍為0.37～1.16。

實驗主要研究了進口雷諾數Re以及出口馬赫數對葉片表面流動分布的影響。橫坐標s表示相對弧長，縱坐標CP表示葉片表面壓力系數。

3.1 ?變雷諾數

葉片表面上的流動特性對表面的換熱特性有著非常重要的影響。相同馬赫數不同雷諾數下的靜壓分布規律如圖3-圖6所示。

由圖可以看出，壓力面和吸力面的壓力系數隨著雷諾數的增大幾乎沒有變化，表明在實驗工況范圍內，進口雷諾數對無氣膜冷卻葉片表面的流動特性影響很小。前緣區在葉片吸力面50%弧長處壓力系數最小，出現了較大的逆壓梯度，所以此時出現了邊界層的分離，說明氣流加速到最大值，此后壓力增加平緩，說明氣流速度減小。對于壓力面，壓力系數基本上是沿途下降，即此時的流動處于順壓梯度下，所以邊界層外緣的主流速度將在沿途加速，從駐點開始到大約50%弧長處壓力有微弱的減小，表明氣流加速比較平緩。從50%弧長至尾緣處，壓力系數急劇下降以及氣流速度迅速上升，從而確保了流動的穩定，所以在壓力面并沒有出現流動分離現象。

3.2 ?變出口馬赫數

相同雷諾數不同馬赫數下的靜壓分布規律如圖7-圖10所示。

從圖中可以觀察到同一雷諾數下馬赫數對壓力面前緣（s>-0.4）部分的壓力系數影響很小，從大約40%弧長處開始到尾緣的壓力系數隨著馬赫數的增大而增大，馬赫數越大，壓力下降得越快，速度變化越大。馬赫數越大，吸力面轉捩點之前的壓力系數下降得越快，而且當馬赫數達到最大的時候，靜壓最低點后移。吸力面靜壓最低點隨著馬赫數的增大向下游的尾緣靠近，表明吸力面的氣流加速在50%弧長處即可完成。從圖中還可以觀察到馬赫數越大，吸力面壓力上升的速度越快。

4 ?數值模擬

4.1 ?數值計算方法

N-S紊流時均方程的求解采用ANSYS CFX進行計算。流體域流質為空氣，溫度為300K，采用熱能換熱模型，參考壓力為0大氣壓，湍流模型采用計算湍流常用模型K-epsilon，各參數的離散采用一階精度的迎風格式。解收斂的判斷標準是相對殘差小于1×10-6。

4.2 ?計算域

為了與本次的實驗結果進行對比，本文進行了葉片表面流動的數值模擬。采用的計算域與如圖11所示的無氣膜冷卻的導葉葉柵實驗段基本相符合，且在Y方向上向葉片前緣上游和尾緣下游分別包含了一個葉片柵距，針對葉柵所具有的周期性和對稱性，在周向X方向上也只包含了一個柵距，徑向Z方向上只有1mm的高度，計算模型如圖12所示。

4.3 ?網格生成

網格系統采用非結構化的網格生成方法，在比較關注的區域葉片前緣、尾緣以及吸力面附近進行網格局部加密，從而使網格密度可以捕捉到流動和換熱的基本特征。壁面附近則采用邊界層型的網格。本次采用桶制法（cooper）生成三維網格，即將平面網格沿某一方向進行拓展復制生成三維網格的方法，生成的整體三維網格如圖12所示，網格生成求解器采用了ANSYS中的CFX求解器。

葉片尾緣附近及邊界層型網格局部放大圖如圖13所示，由圖可以看出，很大一部分區域采用了三角形網格，在葉片型面附近采用7層貼壁的邊界層型網格，第一層網格中心距壁面的距離為0.1mm，整體三維網格沿葉高方向延伸了1層，整個計算域的網格單元數為120，130。計算結果表明，本文網格分布足以消除網格密度的影響，這套網格基本保證了網格的獨立性。

4.4 ?邊界條件

與實驗工況基本保持一致是邊界條件的給定原則，葉柵通道之間的流通截面一般采用周期性邊界條件，而葉片上下截面則采用對稱邊界條件，型面為無滑移和滲透的壁面條件，為了模擬葉片表面的傳熱問題，壁面給定了350K的恒溫。前緣上游截面為壓力進口邊界條件，進口紊流度給定為5%，來流總溫為300K。尾緣下游截面為壓力出口邊界條件。

4.5 ?計算結果與實驗數據對比

計算工況為Re=30×104，Ma=0.37。葉片型面上的靜壓系數分布如圖14所示。從圖中可以看到，數值模擬出的壓力系數在大部分區域都與本次實驗結果吻合較好。由圖14還可以觀察到，在葉片吸力面前緣部分，壓力迅速降低，在S/C大約等于0.4時，氣流速度加速到最大值，此時壓力降到最低，而后氣流速度有一定的減速，靜壓值有所恢復。壓力面在S/C=-0.05～-0.4范圍內，靜壓下降比較平緩，而后壓力又快速下降，壓力面從前緣到尾緣壓力系數一直呈下降趨勢，但壓力面靜壓始終大于吸力面。

5 ?結 ?論

（1）在跨音速葉柵傳熱風洞中，測量的無氣膜冷卻葉片表面流量系數是實際雷諾數和馬赫數下無氣膜冷卻葉片表面的流量系數分布，本次實驗結果對葉片流動設計有重要的參考意義;

（2）在馬赫數一定時，壓力面和吸力面的壓力（系數）隨著雷諾數的增大幾乎沒有變化，表明在實驗工況范圍內，進口雷諾數對葉片表面氣流流動特性幾乎沒有影響或者影響很小;

（3）在雷諾數一定時，葉柵出口馬赫數變化對葉片表面流動系數的分布呈現不同的規律;

（4）計算出的壓力系數在大部分區域都與實驗結果吻合較好，數值計算可以較好地模擬葉片表面流動問題。

參考文獻：

[1] Holger Brandt，Wolfgang Ganzert，Leonhard Fottner，2000，“A Presentation of Detailed Experimental Data of a Suction Side Film Cooled Turbine Cascade”，ASME 2000-GT-0296.

[2] Gregory M.Laski，Anil K.Toopadi，Michael C.Ostrowski，2007，“Heat Transfer Predictions of Film Cooled Stationary Turbine Airfoils，”ASME GT-2007-27497.

[3] Holger Brandt，Wolfgang Ganzert，Leonhard Fottner，2000，“Systematic Experimental and Numerical Investigations on the Aerothermodynamics of a Film Cooled Turbine Cascade With Variation of the Cooling Hole Shape：Part I — Experimental Approach”，ASME 2000-GT-0295.

作者簡介：成文娟（1986-），女，漢族，山西臨汾人，工程師，碩士，研究方向：航空發動機渦輪結構設計。