梁衛(wèi)穎,朱惠人,張麗,許都純

(西北工業(yè)大學(xué)動(dòng)力與能源學(xué)院,710072,西安)

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尾緣流量分配對(duì)渦輪葉片內(nèi)冷通道換熱影響的實(shí)驗(yàn)研究

梁衛(wèi)穎,朱惠人,張麗,許都純

(西北工業(yè)大學(xué)動(dòng)力與能源學(xué)院,710072,西安)

為掌握某型高壓渦輪葉片尾緣出流流量分配比例對(duì)葉片內(nèi)部通道換熱特性的影響,根據(jù)相似原理采用幾何放大模型,利用瞬態(tài)液晶測(cè)量技術(shù)研究了進(jìn)口雷諾數(shù)為27 000、24 000時(shí),5種尾緣出流比下的通道換熱特性,獲得了通道局部換熱分布規(guī)律及平均換熱變化趨勢(shì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:尾緣出流比變化對(duì)尾緣通道局部換熱分布規(guī)律影響最為顯著,對(duì)中間通道影響明顯,對(duì)前緣通道影響不明顯;中間通道及尾緣通道展向平均換熱均隨尾緣出流比增大而先增強(qiáng)后減弱,出流比為25%時(shí),通道展向平均換熱最強(qiáng),而前緣通道受影響不明顯;各通道及測(cè)量面平均換熱隨尾緣出流比增大均先增強(qiáng)后減弱,在出流比為25%時(shí),平均換熱最強(qiáng);尾緣出流比在0～1范圍變化對(duì)尾緣通道平均換熱影響幅度最大,約為30%,中間通道次之,約為20%,前緣通道最小,約為10%。

渦輪葉片;流量分配;換熱特性;瞬態(tài)液晶;尾緣

尾緣冷卻通道設(shè)計(jì)是整個(gè)渦輪葉片內(nèi)冷通道設(shè)計(jì)重點(diǎn)考慮的部分之一,從國(guó)內(nèi)外的研究來看,多集中于尾緣通道內(nèi)部不同類型擾流裝置[1-4]及其布局對(duì)通道流動(dòng)與換熱的影響。在通道內(nèi)部結(jié)構(gòu)確定的前提下,尾緣出流是通道流動(dòng)與換熱最重要的影響因素。

通常采用簡(jiǎn)化的梯形或楔形直通道對(duì)葉片尾緣通道流動(dòng)與換熱進(jìn)行研究。Hwang第一次考慮到側(cè)壁出流相對(duì)主流的比例對(duì)楔形通道的影響,在其研究的通道結(jié)構(gòu)中,當(dāng)出流比為0.3時(shí),通道總體換熱最差[5-7]。Schüler就尾緣出流對(duì)矩形帶肋U型通道的壓力損失和換熱影響進(jìn)行研究,所獲得的結(jié)果顯示,尾緣出流增強(qiáng)轉(zhuǎn)彎區(qū)的換熱而削弱出口通道下游區(qū)域的換熱[8]。國(guó)內(nèi)的楊祺對(duì)帶側(cè)向出流孔的光滑梯形通道內(nèi)部換熱特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,結(jié)果顯示側(cè)流比從0～1增加,測(cè)量面平均換熱及通道展向平均換熱均逐漸下降,且比例越大,下降趨勢(shì)越明顯[9]。楊力在側(cè)壁出流條件下,對(duì)葉片尾緣為梯形橫截面、大寬高比、帶V型對(duì)稱和非對(duì)稱肋的通道流動(dòng)與換熱進(jìn)行了研究,結(jié)果表明側(cè)壁出流增強(qiáng)了出流孔附近區(qū)域的換熱,而削弱了相對(duì)壁面附近區(qū)域的換熱[10]。

以上研究是針對(duì)葉片尾緣這一局部區(qū)域并采用簡(jiǎn)化直通道或U型通道所進(jìn)行的研究,其結(jié)果只反映尾緣通道的流動(dòng)和換熱特點(diǎn),有一定局限性。實(shí)際葉片內(nèi)部通道是多通道通過彎道連接的整體通道,尾緣通道只是其中一部分,尾緣出流比變化對(duì)全葉片通道流動(dòng)與換熱的影響及影響程度如何,在公開發(fā)表的文獻(xiàn)中還未見到。本文以某型高壓渦輪葉片內(nèi)部冷卻通道為研究對(duì)象,利用瞬態(tài)液晶測(cè)量技術(shù)研究尾緣出流比變化對(duì)全葉片通道換熱特性的影響,其結(jié)果更貼近實(shí)際,對(duì)葉片內(nèi)部冷卻通道的優(yōu)化設(shè)計(jì)具有重要參考價(jià)值。

1 實(shí)驗(yàn)裝置與測(cè)量方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

1.1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng) 如圖1所示,壓縮空氣經(jīng)浮子流量計(jì)1和2進(jìn)入電加熱器進(jìn)行加熱,在氣流溫度尚未達(dá)到實(shí)驗(yàn)要求前,由控制盒控制電磁閥1關(guān)閉,電磁閥2打開,對(duì)氣流進(jìn)行旁通,這時(shí)指示燈亮。當(dāng)旁通出口氣流溫度達(dá)到實(shí)驗(yàn)要求時(shí),通過控制盒按鈕切換,電磁閥2關(guān)閉,電磁閥1打開,這時(shí)指示燈熄滅,溫度較高的氣流經(jīng)電磁閥1進(jìn)入實(shí)驗(yàn)段,經(jīng)由實(shí)驗(yàn)件頂部和尾緣出流,且對(duì)流量及出口壓力進(jìn)行測(cè)量。通過調(diào)節(jié)出口處的壓力及流量使該出口的出流比達(dá)到工況要求。液晶顯色過程由攝像機(jī)全程記錄。氣流溫度由通道內(nèi)的14個(gè)熱電偶進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量,并由溫度采集模塊將數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)進(jìn)行記錄。實(shí)驗(yàn)中采用的流量計(jì)測(cè)量精度為2.5級(jí)。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)組成

1.1.2 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ图肮r 根據(jù)相似原理,實(shí)驗(yàn)采用研究對(duì)象的幾何放大模型。與實(shí)際葉片較高的進(jìn)口氣流溫度不同,本實(shí)驗(yàn)使用的瞬態(tài)液晶顯色范圍在34.5～35.5 ℃之間,所以采用低溫氣流,并對(duì)氣流適當(dāng)加熱,最高溫度在60 ℃以下。根據(jù)相似原理,在保證相同進(jìn)口雷諾數(shù)條件下,低溫實(shí)驗(yàn)下的換熱結(jié)果可以反映實(shí)際葉片內(nèi)流通道的換熱情況。

圖2所示為葉片內(nèi)部冷卻通道結(jié)構(gòu),從左到右有2個(gè)隔墻將S型通道分成3個(gè)直通道及2個(gè)轉(zhuǎn)彎區(qū)。從左到右依次為渦輪葉片前緣通道,即圖中標(biāo)示的通道1;葉片中部通道,為圖中標(biāo)示的通道2;葉片尾緣通道,即圖中標(biāo)示的通道3。圖3所示為葉片通道橫截面,其中通道1和通道2的橫截面均為矩形,通道3的橫截面為梯形,3者的寬高比分別為2.7、2.4、6.6。進(jìn)氣口位于通道1底部入口。整個(gè)S型通道共有3處出流位置,葉尖有2處除塵孔,尾緣通道側(cè)壁布有孔排。如圖2所示,除塵孔1位于通道1頂部,除塵孔2位于通道3頂部靠近第二個(gè)隔墻;第三處出流位置為尾緣通道右側(cè)壁上的出流孔排,共有15個(gè)大小一致的出流孔,直徑均為3 mm,3處出流面積分別為S1=16 mm2,S2=387 mm2,S3=106 mm2。通道中所有擾流肋橫截面均為半圓形,半徑均為3 mm,其中在通道2、3測(cè)量面及其相對(duì)面上布置有錯(cuò)排90°的擾流肋,肋間距為23 mm,特別指出通道3的擾流肋沒有完全延伸到尾緣側(cè)壁,而在第一個(gè)轉(zhuǎn)彎區(qū)則布置了放射狀擾流肋,測(cè)量面上有4根,其相對(duì)面上有3根,通道1則為光滑通道,沒有布置擾流肋。本實(shí)驗(yàn)著重針對(duì)尾緣孔排(簡(jiǎn)稱為尾緣)出流比對(duì)渦輪葉片通道換熱特性的影響,不考慮除塵孔1出流,即該處出流比為0%。整個(gè)實(shí)驗(yàn)件由有機(jī)玻璃制造。

圖2 葉片內(nèi)部冷卻通道

圖3 通道橫截面

進(jìn)口雷諾數(shù)定義為

(1)

根據(jù)進(jìn)口壓力p、初始溫度Tg0、氣體常數(shù)Rg可確定密度ρ;根據(jù)進(jìn)口體積流量Qv、進(jìn)口面積Sin可確定進(jìn)口平均流速ν;最后由進(jìn)口水力直徑d、空氣動(dòng)力黏性系數(shù)μ可最終確定進(jìn)口雷諾數(shù)。

實(shí)驗(yàn)工況見表1,其中27 000為設(shè)計(jì)單位提供的特定進(jìn)口雷諾數(shù),24 000是在特定進(jìn)口雷諾數(shù)以下選擇的另一進(jìn)口雷諾數(shù)。

表1 進(jìn)口雷諾數(shù)及出流比

注:出流比是各出流位置質(zhì)量流量與進(jìn)口總質(zhì)量流量之比。

1.2 測(cè)量方法及誤差

本實(shí)驗(yàn)為瞬態(tài)實(shí)驗(yàn)。有機(jī)玻璃實(shí)驗(yàn)件壁面厚度在實(shí)驗(yàn)時(shí)段內(nèi)滿足一維半無限大導(dǎo)熱條件[11]。實(shí)驗(yàn)采用加熱氣流進(jìn)行,且氣流溫度隨時(shí)間變化的曲線如圖4所示。由此得到

圖4 氣流溫度隨時(shí)間的變化曲線

(2)

(3)

式(2)中的β為

(4)

本實(shí)驗(yàn)中:初始時(shí)刻t=0,實(shí)驗(yàn)件初始溫度T0為環(huán)境溫度,Tg0=T0。由氣流溫度Tg、實(shí)驗(yàn)件初始溫度T0和熱物性參數(shù)ρcλ、壁面溫度Tw(t)及液晶顯色響應(yīng)時(shí)間t,就可獲取葉片通道全表面局部換熱系數(shù)分布。液晶顯色過程由松下310萬像素CCD攝錄機(jī)記錄。用努賽爾數(shù)表征通道換熱特性,其定義如下

(5)

(6)

式中:Nu是局部努賽爾數(shù);h是換熱系數(shù);λair為空氣導(dǎo)熱系數(shù);d為通道進(jìn)口平均水力直徑,由式(6)計(jì)算得到;Sinlet為通道進(jìn)口面積;linlet為進(jìn)口濕周長(zhǎng)。據(jù)此計(jì)算通道平均水力直徑為17.7 mm。

根據(jù)文獻(xiàn)[12],本文熱電偶測(cè)量誤差小于0.2 ℃,時(shí)間誤差為0.2 s,換熱系數(shù)不確定度小于7.3%。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 尾緣出流比對(duì)通道局部換熱的影響

圖5是Re=27 000時(shí),不同尾緣出流比下的通道局部換熱分布云圖。云圖中局部換熱用Nu反映,箭頭表示進(jìn)出氣流方向。

從圖5可以看出,隨著尾緣出流比逐漸增大,通道1局部換熱分布規(guī)律并沒有明顯改變,通道2整體換熱較通道1高,這是通道內(nèi)布置了擾流肋的結(jié)果。進(jìn)一步觀察可以發(fā)現(xiàn),隨著尾緣出流比增大,通道2局部換熱分布規(guī)律有明顯改變,其變化是靠近第二個(gè)隔墻左側(cè)的兩肋間高換熱區(qū)沿橫向先逐漸擴(kuò)展,如出流比從0%到25%,而后有縮小趨勢(shì),如出流比從25%到50%再到75%,出流比在50%、75%時(shí),差別并不明顯,最后尾緣全部出流,即出流比為100%時(shí),兩肋間高換熱區(qū)沿橫向收縮到最小,整體換熱也最低。通道3局部換熱分布規(guī)律及局部換熱高低受尾緣出流比變化的影響是最顯著的。從圖5可觀察到:隨著尾緣出流比逐漸增大,從0%到25%再到50%,通道3進(jìn)口附近高換熱區(qū)沿橫向先擴(kuò)展,而后隨著出流比繼續(xù)增大至75%直到100%,高換熱區(qū)收縮,到尾緣全部出流,即出流比為100%時(shí),收縮到最小;在通道下游區(qū)域,隨著尾緣出流比逐漸增加,從0%到25%,沿流向換熱先增強(qiáng),而后隨出流比進(jìn)一步增大,從50%直到100%,沿流向換熱逐漸減弱,且橫向換熱也變得更不均勻。第一個(gè)轉(zhuǎn)彎區(qū)域由于布置了擾流肋,所以換熱有所增強(qiáng)。隨著尾緣出流比增大,該區(qū)域的局部換熱分布規(guī)律及局部換熱高低沒有明顯改變,但當(dāng)出流比達(dá)到100%時(shí),高換熱區(qū)縮小,局部換熱減弱。第二個(gè)轉(zhuǎn)彎區(qū)域局部換熱隨尾緣出流比增大而先增強(qiáng),如出流比從0%到25%再到50%,該區(qū)局部換熱達(dá)到最強(qiáng),而后隨著尾緣出流比進(jìn)一步提高到75%直至100%,該轉(zhuǎn)彎區(qū)的局部換熱反而減弱。

(c) 除塵孔2、尾緣出流比 (d) 除塵孔2、尾緣出流比 分別為50%、50% 分別為25%、75%

(e)除塵孔2、尾緣出流比分別為0%、100% 圖5 Re=27 000時(shí)不同尾緣出流比下的通道局部換熱分布云圖

2.2 尾緣出流比對(duì)通道展向平均換熱的影響

由圖6可以看出,通道1、2展向平均換熱沿流程均下降,通道3展向平均換熱沿流程先上升后下降。尾緣出流比變化對(duì)通道1展向平均換熱影響不大。通道2展向平均換熱隨尾緣出流比增大先增強(qiáng),如出流比從0%到25%再到50%,通道展向平均換熱最強(qiáng),而后隨著尾緣出流比進(jìn)一步增大,從75%直到100%,通道展向平均換熱減弱,尾緣全部出流時(shí),通道2展向平均換熱最弱。通道3展向平均換熱隨尾緣出流比增加也是先增強(qiáng),當(dāng)出流比達(dá)到25%時(shí),展向平均換熱最強(qiáng),隨著出流比進(jìn)一步增大,從50%到75%直到100%,通道3展向平均換熱逐漸減弱,當(dāng)尾緣全部出流時(shí),通道3展向平均換熱最弱。第一個(gè)轉(zhuǎn)彎區(qū),當(dāng)尾緣全部出流時(shí),展向平均換熱與其余出流比下有明顯差別,展向平均換熱最弱。第二個(gè)轉(zhuǎn)彎區(qū)展向平均換熱隨尾緣出流比增大先增強(qiáng),當(dāng)出流比達(dá)到50%時(shí),展向平均換熱最強(qiáng),隨后尾緣出流比進(jìn)一步增大,該區(qū)域展向平均換熱減弱,直到出流比為100%即氣流全部從尾緣出流,第二個(gè)轉(zhuǎn)彎區(qū)展向平均換熱最弱。

圖6 通道展向平均換熱

2.3 尾緣出流比對(duì)各通道平均換熱的影響

圖7 通道1平均換熱

圖8 通道2平均換熱

圖9 通道3平均換熱

2.4 尾緣出流比對(duì)測(cè)量面平均換熱的影響

圖10 測(cè)量面平均換熱隨尾緣出流比的變化

3 結(jié) 論

本文利用瞬態(tài)液晶測(cè)量技術(shù),通過實(shí)驗(yàn)研究了尾緣流量分配對(duì)渦輪葉片內(nèi)部通道換熱特性的影響,獲得了全葉片通道局部換熱及平均換熱的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,通過對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析,得到以下結(jié)論。

(1)在進(jìn)口雷諾數(shù)一定的條件下,尾緣流量分配比例變化對(duì)各通道局部換熱分布影響的作用遞減,對(duì)尾緣通道影響最顯著,中間通道次之,前緣通道影響不明顯。隨著尾緣出流比增大,中間通道高換熱區(qū)沿橫向先擴(kuò)展后縮小;尾緣通道下游局部換熱先增強(qiáng)后減弱且橫向分布變得越不均勻。

(2)隨著尾緣出流比增大,中間及尾緣通道展向平均換熱均先增強(qiáng)后減弱,出流比為25%時(shí),展向平均換熱最強(qiáng),而前緣通道變化不明顯。

(3)隨著尾緣出流比增大,各通道及測(cè)量面平均換熱均先增強(qiáng)后減弱,出流比為25%時(shí),平均換熱最強(qiáng)。

(4)在尾緣出流比從0～1變化的范圍內(nèi),出流比對(duì)各通道平均換熱的影響幅度遞減,對(duì)尾緣通道影響幅度最大,約為30%;中間通道次之,約為20%;前緣通道最小,約為10%;對(duì)測(cè)量面平均換熱影響的幅度在20%左右。

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(編輯 荊樹蓉)

Experimental Investigation of the Influence of Trailing Edge Outflow Rate Allocation on the Heat Transfer in Turbine Blade Internal Cooling Channel

LIANG Weiying, ZHU Huiren, ZHANG Li, XU Duchun

(School of Power and Energy, Northwestern Polytechnical University, Xi’an 710072, China)

Detailed local heat transfer distribution and average heat transfer variation trend of five different trailing edge outflow rate allocation ratios, with the inlet Reynolds number of 27 000 and 24 000 and in proportionally enlarged model according to similarity principle, were acquired by using transient liquid crystal measurement technique. The purpose of this experimental study is to understand the effect on the heat transfer characteristics of high-pressure turbine blade internal cooling channel with different trailing edge outflow rate allocation ratios. The results show that different trailing edge outflow rate allocation ratios will affect the local heat transfer distribution in trailing edge tunnel remarkably and in middle tunnel obviously, but in leading edge tunnel invisibly; the spanwise average heat transfer in the middle and trailing edge tunnels is enhanced firstly and then depressed with the increase of trailing edge outflow rate allocation ratio, and enhanced mostly at the ratio of 25%, but invisibly in leading edge tunnel; the average heat transfer of each tunnel and measurement surface is strengthened firstly and then depressed while increasing the trailing edge outflow rate allocation ratio, and is also strengthened mostly at the ratio of 25%; different trailing edge outflow rate allocation ratios affect the average heat transfer in each tunnel, mostly in trailing edge tunnel, about 30%; posteriorly in middle tunnel, about 20%; and leastly in leading edge tunnel, only 10%.

turbine blade; flow rate allocation; heat transfer characteristics; transient liquid crystal; trailing edge

2014-08-18。

梁衛(wèi)穎(1980—),男,博士生;朱惠人(通信作者),男,教授。

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目(2013CB035702)。

時(shí)間:2015-02-27

10.7652/xjtuxb201505004

V231.1

A

0253-987X(2015)05-0024-06

網(wǎng)絡(luò)出版地址:http:∥www.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20150227.1724.016.html