槽縫射流對環形葉柵端壁氣膜冷卻性能影響的實驗研究

祝培源,陶志,姚韻嘉,宋立明,李軍

(1.西安交通大學葉輪機械研究所,710049,西安; 2.中國核動力研究設計院中核核反應堆熱工水力技術重點實驗室,610213,成都)

提高燃氣輪機透平進口溫度是提升燃氣輪機效率和輸出功率的有效手段[1]。針對低NOx排放要求,燃燒室出口溫度沿葉高方向的分布應更加均勻,這使得端壁附近流體溫度升高[2]。上述原因導致現代透平葉片端壁區域所承受的熱負荷急劇增加,使高效的端壁傳熱冷卻設計方法和技術成為迫切需求。

槽縫射流一方面能夠避免高溫主流入侵盤腔,另一方面能對端壁形成一定的氣膜冷卻保護[3]。槽縫射流因其對端壁附近的流動、傳熱和冷卻特性的重要影響而受到了國內外學者的重視。Blai率先研究了上游槽縫結構對葉柵端壁氣熱性能的影響,研究表明,槽縫射流對下游端壁產生了一定的氣膜冷卻效果,且氣膜分布在周向變化劇烈[4]。Burd等針對燃機高壓透平進口導葉,利用實驗手段研究了槽縫射流對端壁附近的流動、氣膜冷卻以及傳熱特性的影響,結果表明,增加槽縫射流的質量流量比能夠有效削弱二次流對端壁氣膜冷卻的影響,從而對端壁產生更好的冷卻保護效果[5-6]。Thole等采用實驗手段研究了槽縫射流對葉片端壁氣膜冷卻性能的影響,結果表明,受到端壁橫向二次流的影響,冷卻氣體主要集中在端壁前部且靠近葉片吸力面側區域,而對壓力面側區域的冷卻效果較差[7]。Thrit等實驗研究了槽縫結構的幾何參數(射流角、位置)對端壁傳熱冷卻性能的影響,結果表明:當槽縫射流垂直射入主流時,槽縫出口附近邊界層會發生較大的分離,形成較大的前緣渦系結構,不利于端壁前緣區域的冷卻保護,而減小射流角度則有利于提升槽縫射流對端壁的冷卻保護效果,從而降低端壁熱負荷;減小槽縫與葉片前緣的距離,有利于提高端壁前部的氣膜冷卻效率[8-9]。Cardwell等以第一級靜葉為對象,通過實驗手段研究了槽縫寬度對端壁氣膜冷卻特性的影響,研究表明,提高槽縫射流的質量流量比或者減小槽縫寬度,能夠顯著提升端壁氣膜有效度,而增加槽縫射流的動量比,則有利于擴大端壁上的氣膜覆蓋范圍[10]。Lynch等通過實驗手段綜合研究了槽縫射流對端壁傳熱特性和氣膜冷卻性能的影響,結果表明,上游槽縫射流會對端壁前部靠近吸力面側提供一定的氣膜冷卻效果,同時也增強整個端壁區域的傳熱系數[11]。綜合考慮冷卻效率和傳熱系數,槽縫射流可以有效降低端壁前部的熱負荷,但是增強了端壁后部區域的熱負荷[12]。國內一些學者也開展了針對槽縫射流的相關研究,例如:杜坤等開展了槽縫結構對靜葉端壁氣膜冷卻特性的影響的數值研究,結果表明改變槽縫的入射段結構會顯著影響葉片前緣端壁區域的氣膜冷卻效果,相比直線形式,采用圓弧過渡的入射段結構能夠弱化槽縫射流出口的流動分離,從而提升氣膜冷卻性能[13-14];宋立明團隊采用實驗和數值模擬研究了槽縫的幾何參數對端壁氣膜冷卻性能、傳熱特性以及氣動性能的影響[15-16]。

綜上所述,目前關于槽縫射流對葉片端壁氣膜冷卻性能影響的研究,大多數是基于平面葉柵模型開展的。這些研究忽略了實際燃氣透平中必然存在的葉柵環形效應,從而導致二者的流動傳熱特性存在一定的差異[17]。針對以上研究的不足,本文對典型燃氣輪機透平進口導葉,搭建了考慮上游槽縫結構的環形葉柵端壁氣膜冷卻實驗平臺,研究了射流角(45°、90°)和槽縫結構形式(均勻、收縮)對環形葉柵端壁氣膜冷卻性能的影響。

1 實驗方法

1.1 端壁氣膜冷卻實驗系統

端壁氣膜冷卻實驗裝置如圖1所示,主要包括主流系統、冷氣系統、實驗段以及測量系統。其中,主流來自于通過多臺壓縮機驅動的低速風洞。低速風洞中安裝了整流格柵和穩流裝置,以保證氣流均勻和穩定。經過收斂段后,主流進入實驗測試段。在實驗測試段入口處安裝了總壓探針,以測試主流的總壓。

圖1 實驗裝置示意圖

為了能夠匹配真實燃機條件的密度比,采用CO2作為冷卻氣體。二次空氣系統由多瓶壓縮CO2供氣。通過調節各級減壓閥和質量流量控制器來控制冷氣的流量。質量流量比rMFR的定義為

(1)

式中:m∞、mc分別為主流、冷卻射流的質量流量。

實驗測量了3個工況,其質量流量比分別為1.0%、1.5%、2.0%。利用液氮冷卻裝置對CO2氣體進行冷卻,冷氣在氣室中進行混合,最后通過槽縫結構流入葉柵通道中。在二次空氣系統的管道外側覆蓋高效的保溫材料,以減少實驗中的熱量損失。根據工質熱物性,在實驗壓力(100 kPa)條件下,主流空氣的溫度為15 ℃,密度為1.236 kg/m3,當CO2溫度為-20 ℃時,密度為2.11 kg/m3,故冷氣和主流的密度比可保證為1.7。

1.2 實驗段

采用3D打印技術加工了環形葉柵實驗段,如圖2所示。為了保證流動周期性,環形葉柵有6個葉片和5個流道。實驗中選取中間流道的端壁進行測量。為了降低端壁的熱傳導,采用低導熱率的光敏樹脂材料(導熱率為0.2 W·m-1·K-1)作為實驗段的材料。實驗中,主流進口邊界條件保持不變,進口總壓為1 kPa(表壓),進口總溫為15 ℃,葉柵出口馬赫數為0.1。

圖2 實驗段三維模型

以GE公司E3高壓透平第一級靜葉的根部型線為基準葉型,通過拉伸得到實驗葉型。葉片的根部截面型線及三維葉型實體如圖3所示。表1給出了葉型主要幾何參數。

圖3 葉型及三維葉型實體

為了研究槽縫射流對端壁氣膜冷卻性能的影響,設計并加工了4種不同的槽縫結構,如圖4所示,用于研究均勻槽縫和收縮槽縫在不同射流角(45°、90°)下對端壁氣膜冷卻的影響。槽縫的詳細幾何參數如表2所示。

表1 環形葉柵幾何參數

圖4 槽縫結構示意圖

表2 槽縫結構幾何參數

1.3 實驗測量系統

在氣膜冷卻實驗中,采用高精度熱電偶對主流溫度、冷氣系統的溫度進行監控和測量。主流溫度測量采用具有I級精度的K型熱電偶,測量范圍為-200～1 200 ℃,精度為0.4%。冷卻氣體溫度測量采用具有I級精度的T型熱電偶,測量范圍為-200～350 ℃,精度為0.4%。熱電偶測量的溫度通過DEWESOFT高頻溫度采集模塊進行數據采集和監控,采集模塊的測量精度為0.05%,最高采樣頻率為200 kHz。主流的進口總壓通過位于收斂段出口的總壓探針進行測量和監控,以保證實驗中主流工況一致。利用高精度的ALICAT 21質量流量控制器對槽縫射流的質量流量進行調節和測量。

利用紅外測溫技術對端壁表面的溫度分布進行測量,作為一種非接觸式的測量方法,紅外測溫技術對流場的影響較小。采用美國FLIR公司生產的高精度紅外熱像儀FLIR T650sc對端壁溫度分布進行全場測量。該紅外熱像儀具有較高的空間分辨率和較寬的測量范圍,實物圖如圖5所示,相關參數由表3給出。

圖5 紅外熱像儀實物圖

表3 紅外熱像儀相關參數

在不同溫度下分別對利用熱電偶和紅外熱像儀獲得的標定點溫度進行標定,標定曲線如圖6所示。標定結果表明,在本實驗的測量溫度范圍內,紅外熱像儀具有較高的精度和可靠性。

圖6 紅外熱像儀標定曲線

采用直徑為100 mm的BaF2玻璃作為紅外窗口。如圖7所示,將扇形葉柵端壁測量區域向二維平面投影即可得到面積為60 mm×80 mm的矩形視場,該視場可以清晰地拍攝一個葉柵通道的端壁溫度。

圖7 紅外測量視場

1.4 誤差分析

在氣膜冷卻性能評估中,通常采用絕熱氣膜有效度來衡量氣膜冷卻的效果,其定義為

(2)

式中:T∞為主流溫度;Taw為壁面絕熱溫度;Tc為槽縫射流的溫度。

主流溫度測量所采用的K型熱電偶的誤差為±0.2 ℃;槽縫射流與壁面溫度測量采用的T型熱電偶的誤差分別為±0.2 ℃與±0.4 ℃。對于實驗最終關注的參數η(絕熱氣膜有效度),采用下式進行相對誤差估計

(3)

通過計算可得:當η為0.1、0.5和0.9時,其測量不確定度Δη分別為0.017、0.016和0.017,而相對誤差分別為17%、3.2%和1.9%。

2 結果與分析

首先分析槽縫射流質量流量比對端壁氣膜冷卻性能的影響,在此基礎上對比分析所提出的收縮型槽縫和常規均勻槽縫在不同射流角(α=45°,90°)下對端壁氣膜冷卻性能的影響。

2.1 質量流量比的影響

以射流角為45°的均勻槽縫為例,研究不同質量流量比(1.0%、1.5%、2.0%)對端壁氣膜有效度的影響。圖8給出了端壁氣膜有效度云圖。由圖可知,在端壁前部靠近吸力面側的區域,冷卻氣膜的覆蓋較好,而在端壁靠近壓力面側區域以及端壁后部幾乎沒有氣膜覆蓋。這是因為槽縫射流進入主流以后,受到端壁橫向二次流的作用,從壓力面側向吸力面側遷移,在往下游運動的過程中,被通道渦卷吸而逐漸吹離壁面。在葉片前緣附近,受到馬蹄渦影響,冷卻射流與主流的摻混加劇,導致葉片前緣區域的氣膜冷卻效果較差。整體而言,隨著質量流量比的增大,不僅擴大了氣膜在端壁的橫向覆蓋范圍,也提升了端壁氣膜的有效度。在葉片前緣區域,隨著質量流量比的提高,該區域的冷卻效果逐漸增強,尤其是當rMFR增加到2.0%時,槽縫射流對葉片前緣附近區域的氣膜冷卻保護效果大大增強。這是由于提高冷卻射流的質量流量比,增加了冷卻射流的動量,削弱了主流入侵現象,并削弱了前緣馬蹄渦的不利影響。因此,在本文所研究的rMFR范圍內,隨著質量流量比的增加,槽縫射流對葉片前緣附近的冷卻保護作用增強。

(a)rMFR=1.0% (b)rMFR=1.5%

(c)rMFR=2.0%圖8 不同質量流量比下端壁氣膜有效度分布

2.2 槽縫結構的影響(α=45°時)

圖9分別給出了α=45°,質量流量比為1.0%、1.5%和2.0%時,均勻槽縫和收縮槽縫的葉片端壁氣膜有效度分布。在本文所研究的質量流量比范圍內,與均勻槽縫相比,收縮槽縫能夠明顯提升端壁的氣膜冷卻效果。在射流質量流量比較小(1.0%)時,由于冷卻射流動量較小,原始槽縫受到馬蹄渦以及主流入侵的影響,其葉片前緣附近的端壁區域幾乎沒有冷卻氣膜覆蓋;采用收縮槽縫可以提高間隙出口冷卻射流的動量,能夠有效減小馬蹄渦以及避免主流入侵的影響,因而收縮槽縫射流能夠對葉片前緣附近的端壁區域提供一定的冷卻保護。在射流質量流量比較大(1.5%和2.0%)時,由于冷卻射流動量的提高,采用均勻槽縫時葉片前緣附近的端壁區域也有一定的冷卻氣膜覆蓋,而收縮槽縫對槽縫出口冷卻射流動量的進一步提高,可以進一步提高該區域的氣膜有效度。

(a)rMFR=1.0%

(b)rMFR=1.5%

(c)rMFR=2.0%圖9 不同槽縫結構的氣膜有效度分布(α=45°)

(a)rMFR=1.0%

(b)rMFR=1.5%

(c)rMFR=2.0%圖10 前緣位置端壁氣膜有效度的周向分布(α=45°)

圖10給出了在α=45°、不同射流質量流量比條件下采用均勻槽縫和收縮槽縫時,前緣位置處端壁氣膜有效度的周向分布。圖中Y為周向位置坐標,P為柵距,Y/P為量綱一的周向位置。從圖10中可以看出,相比于均勻槽縫,收縮槽縫能夠顯著提高前緣位置處的端壁氣膜有效度,并擴展氣膜在周向的分布范圍。當rMFR=1.0%時,收縮槽縫對端壁氣膜有效度的提升效果最為顯著,而隨著rMFR的增加,收縮槽縫對端壁氣膜有效度的提升效果有所減弱。在Y/P=0.6處,rMFR=1.0%,1.5%,2.0%時,相比于均勻槽縫,收縮槽縫能夠使該處的端壁氣膜有效度分別提高16.5%、12.4%和12.1%。

2.3 槽縫結構的影響(α=90°時)

在α=90°,質量流量比分別為1.0%、1.5%和2.0%時,采用均勻槽縫和收縮槽縫的端壁氣膜有效度分布云圖如圖11所示。

與α=45°相比,α=90°時端壁氣膜冷卻性能顯著降低。這是由于當α=90°時,一方面增強了前緣附近馬蹄渦和分離渦,使得主流和冷卻氣體的摻混加劇,弱化了氣膜冷卻效果;另一方面,更大的沿葉高方向的分動量使得冷卻射流更不容易被主流壓制,更易吹離壁面,減弱氣膜冷卻效果。此外,α=90°時,冷卻射流沿流向的動量降低,故冷卻氣體所能覆蓋的范圍有所減小。與原始均勻槽縫相比,收縮槽縫一方面顯著擴展了冷卻氣膜的覆蓋范圍,另一方面明顯提高了高冷卻效率區域的氣膜有效度。當rMFR<1.5%時,均勻槽縫受到馬蹄渦以及主流入侵的影響,葉片前緣附近的端壁區域幾乎沒有冷卻氣膜覆蓋,而采用收縮槽縫時,可以提高間隙出口冷卻射流的動量,有效弱化主流入侵和前緣馬蹄渦的影響,從而提升對葉片前緣附近區域的氣膜冷卻保護效果,擴大冷卻氣膜覆蓋范圍。此外,與原始均勻槽縫相比,收縮槽縫提高了槽縫射流出口處沿流向的動量分量,使得冷氣能夠滲透更遠的距離,從而擴大了氣膜覆蓋范圍。

(a)rMFR=1.0%

(b)rMFR=1.5%

(c)rMFR=2.0%圖11 不同槽縫結構的氣膜有效度分布(α=90°)

(a)rMFR=1.0%

(b)rMFR=1.5%

(c)rMFR=2.0%圖12 前緣位置端壁氣膜有效度的周向分布(α=90°)

圖12給出了α=90°、在不同射流質量流量比條件下采用均勻槽縫和收縮槽縫時,在前緣位置處端壁氣膜有效度的周向分布。從圖12中可以看出,相比于均勻槽縫,收縮槽縫能夠顯著提高前緣位置處的端壁氣膜有效度,并擴展氣膜在周向的分布范圍。與α=45°相比,α=90°時收縮槽縫對前緣處氣膜冷卻性能的提升效果更為顯著。前緣Y/P=0.6處,在射流質量流量比為1.0%、1.5%和2.0%時,相比于均勻槽縫,采用收縮槽縫能夠提高端壁氣膜有效度,其值分別為21.0%、17.5%和16.2%。

3 結 論

基于所搭建的槽縫射流作用下扇形葉柵端壁氣膜冷卻性能實驗平臺,研究了在不同射流角(45°、90°)下槽縫結構形式(均勻、收縮)對端壁氣膜冷卻性能的影響,主要結論如下。

(1)槽縫射流對端壁前部區域具有一定的氣膜冷卻保護效果,且隨著質量流量比的增加,槽縫射流對端壁的氣膜冷卻效果增強。但是,受到端壁橫向二次流的影響,冷卻氣體主要分布在端壁前部靠近吸力面側區域,而對壓力面側區域的冷卻效果較差。

(2)α=45°時,與原始均勻槽縫相比,收縮槽縫可以提高槽縫射流出口的動量,從而顯著提高葉片端壁的氣膜有效度,且擴展了氣膜覆蓋范圍。特別地,收縮槽縫增強了對葉片前緣區域的氣膜冷卻保護效果。

(3)與α=45°時相比,α=90°時由于槽縫出口流動分離加劇,導致了前緣渦系的增強,從而減弱了對端壁的氣膜冷卻保護效果。與45°射流角類似,90°射流角時采用收縮槽縫依然能夠明顯地提高葉片端壁的氣膜冷卻性能,且收縮槽縫所帶來的氣膜冷卻性能提升效果比45°射流角時更為顯著。