葉片前緣凹槽結構換熱特性數值研究

趙丹 陳劍

（1.中國航發湖南動力機械研究所，湖南株洲 412002；2.中小型航空發動機葉輪機械湖南省重點實驗室，湖南株洲 412002）

0.引言

國外正在應用前緣凹槽冷卻技術，來降低葉片前緣的溫度。對于這一前緣凹槽冷卻結構蘇云亮[1]和郭奇靈[2]等人研究了有/無凹槽結構葉片前緣表面氣膜冷卻效率的分布規律，結果表明凹槽結構顯著提升了前緣滯止線附近區域的氣膜冷卻效率。

本文建立了3種不同的葉片前緣凹槽模型和一種葉片前緣無凹槽模型，分別在吹風比為1.0和2.0工況下，分析前緣表面換熱特性的分布規律，研究了凹槽深度及有無凹槽結構對前緣表面換熱特性的影響。

1.數值方法

1.1 計算模型與邊界條件

葉片前緣由半圓柱面進行模擬（半徑為20mm），駐點凹槽內有8個氣膜孔，離駐點凹槽30°位置處有7個氣膜孔，各排氣膜孔均同向傾斜布置，各排孔由同一個二次流腔供氣。氣膜孔直徑為3mm，孔間距為6倍的氣膜孔徑，氣膜孔徑向夾角為30°，流向夾角為90°。前緣凹槽直徑分別為10mm、8mm和6mm，2種結構計算模型如圖1所示。

圖1 計算模型

計算模型邊界條件設置如表1所示。

表1 計算模型邊界條件設置

1.2 數值計算方法及數據處理方法

計算模型創建及網格劃分由GAMBIT 2.4.6軟件進行，求解選用ANSYS FLUENT 13.0，采用的湍流模型為標準k-epsilon模型。換熱強度大小選用Froe數來進行表征，其定義方式如下：

式中各符號含義見表2。

表2 各符號含義

2.結果分析

圖2列出的是4種結構在1.0吹風比工況下葉片前緣表面的換熱系數分布云圖。

圖2 換熱系數分布示意（1.0）

由無凹槽前緣表面換熱系數分布云圖易知，在第一排氣膜孔中，各氣膜孔之間區域換熱系數較高，且在孔間區域的流向下游方向換熱系數也較高，而在氣膜孔的正下游方向換熱系數較低。在第二排氣膜孔的下游方向，氣膜射流核心區即氣膜孔流向正下游區域換熱系數較低，而在氣膜孔流向正下游區域的兩側區域換熱系數較高，在遠離氣膜孔排的其他區域換熱系數較低。

由前緣凹槽直徑6mm的換熱系數分布云圖易知，在第一排氣膜孔的凹槽區域內換熱系數很低，在凹槽下游區域換熱系數較高。在第二排氣膜孔的下游方向，氣膜射流核心區即氣膜孔流向正下游區域換熱系數較低，而在氣膜孔流向正下游區域的兩側區域換熱系數較高，在遠離氣膜孔排的其他區域，換熱系數較低。在整個前緣區域內，換熱強度沿著徑向傾角的方向緩慢遞減，最后呈現出在葉高和葉根2個位置處出現極值。另外2種凹槽結構下前緣表面的換熱系數分布云圖與前緣凹槽直徑6mm結構下前緣表面的換熱系數分布云圖基本一致。

圖3列出的是4種前緣結構在吹風比為2.0工況下葉片前緣表面的換熱系數分布云圖。將下圖與1.0工況下的換熱系數分布云圖對比易知，相同冷卻結構在各個吹風比下的換熱系數分布情況基本一致，各種差異主要體現在換熱強度的不同。

將上圖中無凹槽前緣表面換熱系數分布云圖與3種前緣凹槽表面換熱系數分布云圖對比易知，4種冷卻結構下葉片前緣表面換熱系數云圖的分布規律基本相似：在第一排氣膜孔中，各氣膜孔之間區域的換熱強度沿著徑向傾角的方向逐漸增強，在兩排氣膜孔之間區域換熱系數較高，在第二排氣膜孔的下游方向，氣膜射流核心區即氣膜孔流向正下游區域換熱系數較低，而在氣膜孔流向正下游區域的兩側區域換熱系數較高，在遠離氣膜孔排的其他區域，換熱系數較低。在整個前緣區域內，換熱強度沿著徑向傾角的方向逐漸遞減，最后呈現出在葉片兩側端壁處出現極大值和極小值。

圖4和圖5展示的是吹風比為2.0時2種前緣冷卻結構在兩排氣膜孔之間х/d=1.16（凹槽孔邊緣）截面上的速度比云圖和湍流度云圖。由圖4知，相比于前緣無凹槽結構，前緣凹槽結構在靠近壁面處的速度分布更為均勻，所以前緣凹槽結構在兩排氣膜孔的孔間區域的換熱強度相當。由湍流度分布云圖易知，2種冷卻結構在該截面上的湍流度分布云圖在前緣一側靠近端壁處差別較大，除此之外，兩者云圖分布基本一致。

圖4 速度比云圖（x/d=1.16，2.0）

圖5 湍流度云圖（x/d=1.16，2.0）

圖6展示的是4種前緣冷卻結構在1.0和2.0吹風比工況下葉片前緣表面的換熱系數展向均值。第一排孔下游位置處即凹槽邊緣處為橫坐標起始點，展向平均寬度范圍為氣膜孔直徑的36倍。由1.0吹風比工況下的換熱系數展向均值可以看出，在靠近第一排凹槽氣膜孔的區域，4種前緣冷卻結構下的換熱系數展向均值差異明顯，除此之外，在前緣的其他區域，4種冷卻結構下的換熱系數展向均值曲線基本重合。由2.0吹風比工況下的換熱系數展向均值可以看出，在2個排氣膜孔的近孔區域附近，4種冷卻結構下的換熱系數展向均值曲線差異明顯，在遠離氣膜孔的下游區域，4種結構下的換熱系數展向均值曲線基本重合。在3種前緣凹槽冷卻結構中，換熱系數均隨著吹風比的增大而增大。

圖6 換熱系數展向均值

結合上述分析易知，4種結構下的換熱系數分布云圖只有在大吹風比工況下在一側靠近端壁處有較大差異，除此之外，4種前緣冷卻結構下的換熱系數分布云圖差異較小。將2個吹風比下的換熱系數分布云圖進行對比還可以看出，4種前緣冷卻結構下的換熱系數在徑向方向上的分布差異都隨著吹風比的增大而增大。

3.結論

本章主要討論了4種前緣冷卻結構在1.0和2.0 2個不同吹風比工況下換熱系數的分布情況，主要得出以下結論：

（1）前緣凹槽結構的有無對前緣表面換熱特性的影響較小。

（2）換熱系數沿著展向方向逐漸減小，這一特點在大吹風比下更加明顯。

（3）3種凹槽結構下的換熱系數隨著吹風比的增大而增大。