葉片前緣凹槽結構氣膜冷卻特性數值研究

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，分析前緣表面氣膜冷卻特性的分布規律，研究了凹槽深度及有無凹槽結構對前緣表面氣膜冷卻特性的影響。

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種結構計算模型示意如圖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。冷卻效率η定義為：

式中，Tg為主流溫度，Tc為二次流溫度，Taω為絕熱壁溫。

2.結果分析

圖2列出的是4種結構在吹風比為1.0工況下葉片前緣表面的氣膜冷卻效率分布云圖。

圖2 氣膜冷卻效率分布示意（1.0）

由無凹槽前緣表面氣膜冷卻效率分布云圖易知，在第一排氣膜孔中，各氣膜孔之間區域基本達到了氣膜全覆蓋，且沿著流向覆蓋面逐漸變窄。而在氣膜孔的正下方幾乎沒有氣膜覆蓋，在第二排氣膜孔中由于受上游氣膜覆蓋的影響，氣膜孔正下方氣膜覆蓋效果良好，而各氣膜孔之間區域氣膜邊界明顯且沒有氣膜覆蓋。

由前緣凹槽直徑6mm的冷效分布云圖易知，前緣區域的氣膜冷效沿著徑向傾角的方向緩慢遞增，最后呈現出在葉高和葉根2個位置處出現極值。除去在一側位置處的極小值，在整個前緣區域氣膜覆蓋良好，尤其在前緣凹槽內冷卻效率非常高，在離第二排氣膜孔較遠的區域，由于主流對氣膜射流的摻混氣膜覆蓋效果較差，冷卻效率較低，另外2種凹槽結構下前緣表面的冷卻效率分布云圖與前緣凹槽直徑6mm結構下前緣表面的冷卻效率分布云圖基本一致。

圖3展示的是吹風比為1.0時前緣凹槽直徑8mm結構和前緣無凹槽結構在第一排孔下游位置處x/d=1.16（凹槽孔邊緣）截面上的無量綱溫度云圖。易知，在小吹風比工況下，由于氣膜射流的動量較低，所以在上述2個截面中的氣膜射流核心區域均貼近壁面。在前緣無凹槽的截面無量綱溫度云圖中可以看出，在氣膜射流核心區域氣膜冷效高，而在氣膜射流核心區域兩邊氣膜冷效較低，氣膜冷效高區域與低區域之間邊界非常明顯，表明有部分區域并沒有或者氣膜覆蓋較少。在前緣有凹槽結構的截面無量綱溫度云圖中可以看出，在凹槽結構的作用下各個氣膜射流核心區之間并無明顯邊界且貼壁性較好，所以在前緣凹槽結構中整個前緣區域的氣膜覆蓋效果良好，冷卻效率較高。

圖3 無量綱溫度云圖（x/d=1.16，1.0）

下圖列出的是4種前緣結構在吹風比為2.0工況下葉片前緣表面的氣膜冷卻效率分布云圖。

由無凹槽前緣表面氣膜冷卻效率分布云圖易知，當吹風比增大至2.0時氣膜射流動量增大，穿透性增強，氣膜射流貼壁性減弱，加之徑向傾角的雙重作用，氣膜冷卻效率沿著徑向高度的疊加效應也顯著增強，最終呈現出在葉片前緣兩側端壁處出現極值。除去在一側位置處的極小值，在整個前緣區域氣膜覆蓋良好，在離第二排氣膜孔較遠的區域，由于主流對氣膜射流的摻混，氣膜覆蓋效果較差，冷卻效率較低。

將圖4中無凹槽前緣冷卻效率分布云圖與前緣凹槽結構下的冷卻效率分布云圖對比發現，4種前緣結構下冷卻效率云圖的分布規律基本相似：在離兩排氣膜孔較近的整個前緣區域內氣膜覆蓋良好，氣膜冷卻效率較高，在離第二排氣膜孔較遠的區域，由于主流對氣膜射流的摻混，氣膜覆蓋效果較差，冷卻效率較低。在大吹風比下，氣膜冷卻效率沿著徑向高度的疊加效應也顯著增強，最終呈現出在葉片前緣兩側端壁處出現極大值與極小值，差異顯著。

圖4 氣膜冷卻效率分布示意（2.0）

圖5展示的是吹風比為2.0時前緣凹槽直徑8mm結構和無凹槽前緣結構在兩排孔之間x/d=1.16（凹槽孔邊緣）截面上的無量綱溫度云圖。易知，在2.0工況條件下，前緣凹槽結構和前緣無凹槽結構在該截面上無量綱溫度云圖的分布規律基本一致：各個氣膜射流核心區域之間并無明顯邊界且貼壁性較好，所以在整個前緣區域內，除一側端壁極小值外，氣膜覆蓋效果良好，冷卻效率較高。

圖5 無量綱溫度云圖（x/d=1.16，2.0）

3.結論

本文主要討論了無凹槽前緣結構和3種凹槽結構在1.0和2.0 2個不同吹風比下的氣膜冷卻特性，研究了前緣凹槽結構對前緣表面氣膜冷卻特性的影響，主要得出以下結論。

（1）相比于前緣無凹槽結構，凹槽結構能顯著提高整個前緣表面的氣膜覆蓋效果，這一特點在小吹風比下更加突出。

（2）凹槽深度對前緣表面氣膜冷卻效率的影響較大，前緣表面的氣膜冷卻效率隨著前緣凹槽直徑的增大而逐漸減小，這一特點在大吹風比下更為明顯。

（3）3種凹槽結構下的氣膜冷卻效率均沿著展向方向逐漸增大，這一特點在大吹風比下更加突出。

（4）3種凹槽結構下的氣膜冷卻效率均隨著吹風比的增大而減小。