潘炳華

(中國(guó)航發(fā)四川燃?xì)鉁u輪研究院，成都610500)

流量分配對(duì)尾緣通道流動(dòng)換熱特性的影響

潘炳華

(中國(guó)航發(fā)四川燃?xì)鉁u輪研究院，成都610500)

采用數(shù)值模擬方法，研究了不同進(jìn)氣比條件下雙向進(jìn)氣葉片尾緣通道的流動(dòng)與換熱特性。結(jié)果表明，整個(gè)尾緣通道的全局平均換熱強(qiáng)度隨著進(jìn)氣比的增加而增大。小進(jìn)氣比情況下，尾縫出口流量沿徑向分布較均勻，整個(gè)通道的對(duì)流換熱都較弱，其中中間隔板附近對(duì)流換熱最弱。大進(jìn)氣比情況下，尾縫出口流量分布沿徑向變化較大，在通道頂部區(qū)域分布較多，通道頂部區(qū)域?qū)α鲹Q熱最強(qiáng)，中間隔板附近對(duì)流換熱有所改善。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)；渦輪；轉(zhuǎn)子葉片；雙向進(jìn)氣；擾流柱；隔板；數(shù)值計(jì)算

1 引言

尾緣是航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪轉(zhuǎn)子葉片最容易發(fā)生氧化燒蝕的一個(gè)區(qū)域，這是由于尾緣區(qū)域是渦輪葉片工作熱負(fù)荷最高的區(qū)域之一，當(dāng)高溫燃?xì)鈴娜~片前緣流經(jīng)葉柵喉道到達(dá)尾緣區(qū)域時(shí)，其流動(dòng)狀態(tài)已由層流發(fā)展到完全湍流狀態(tài)，導(dǎo)致尾緣區(qū)域外表面的換熱非常劇烈。

為了對(duì)渦輪轉(zhuǎn)子葉片尾緣區(qū)域進(jìn)行有效冷卻，國(guó)內(nèi)外學(xué)者及工程技術(shù)人員對(duì)此進(jìn)行了大量研究。如Cunha等[1]對(duì)幾種常用尾緣結(jié)構(gòu)的冷卻特性進(jìn)行了研究；周建興等[2]研究了不同進(jìn)口雷諾數(shù)對(duì)尾緣通道換熱特性的影響；徐虹艷等[3]針對(duì)葉片尾緣提出了一種新型的旋流冷卻結(jié)構(gòu)，并研究了旋流冷卻的機(jī)理和效果；還有不少文獻(xiàn)[4-6]研究了尾緣冷卻結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)其流動(dòng)換熱特性的影響。文獻(xiàn)[7]對(duì)雙向進(jìn)氣擾流柱尾緣通道進(jìn)行的流動(dòng)換熱特性試驗(yàn)研究表明，雙向進(jìn)氣尾緣通道可解決一端進(jìn)氣通道葉尖換熱較差的缺點(diǎn)。本文在文獻(xiàn)[7]的基礎(chǔ)上，針對(duì)某型發(fā)動(dòng)機(jī)高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片尾緣中上部區(qū)域出現(xiàn)的氧化超溫問題，通過調(diào)整兩個(gè)進(jìn)氣口的流量分配，對(duì)不同進(jìn)氣比例條件下雙向進(jìn)氣尾緣通道的流動(dòng)與換熱特性進(jìn)行了數(shù)值分析，以期掌握其流動(dòng)換熱特性，為葉片冷卻結(jié)構(gòu)改進(jìn)優(yōu)化提供參考。

2 計(jì)算模型

2.1 研究對(duì)象

研究對(duì)象是某型發(fā)動(dòng)機(jī)高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片。為便于后期開展試驗(yàn)研究，將模型放大了4倍。另外，由于本文只是對(duì)此冷卻結(jié)構(gòu)的流動(dòng)與換熱特性進(jìn)行定性分析，為減少計(jì)算工作量，對(duì)葉片局部細(xì)節(jié)區(qū)域作了簡(jiǎn)化處理，計(jì)算模型見圖1。本計(jì)算模型有兩個(gè)冷氣進(jìn)口，其中進(jìn)口1的冷卻空氣從前腔進(jìn)口流入，然后從葉片頂部進(jìn)入尾緣的擾流柱區(qū)域，與葉片根部進(jìn)口2流入的冷氣摻混后從尾縫排出到燃?xì)饬鞯?。為開展流量分配對(duì)流動(dòng)換熱影響的研究，定義了進(jìn)氣比 g，即通道進(jìn)口1質(zhì)量流量G ＝in,1與尾緣通道內(nèi)總質(zhì)量流量G ＝in,1+G ＝in,2的比值：

2.2 網(wǎng)格無關(guān)驗(yàn)證

為了用盡可能少的網(wǎng)格獲得盡可能精確的計(jì)算結(jié)果，對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行了網(wǎng)格無關(guān)驗(yàn)證。初始計(jì)算時(shí)采用較稀疏的網(wǎng)格，隨著計(jì)算的進(jìn)行逐步加密模型關(guān)鍵區(qū)域的網(wǎng)格，增加網(wǎng)格捕獲的模型關(guān)鍵信息。網(wǎng)格數(shù)的更改主要通過調(diào)整壁面附面層、擾流柱附近及尾緣中上部區(qū)域的網(wǎng)格密度來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)計(jì)算的主要結(jié)果在一定誤差范圍內(nèi)不再隨網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)的增加而變化時(shí)，就得到了網(wǎng)格無關(guān)解。網(wǎng)格方案見表1，表中 X ＝min、Y ＝min、Z ＝min為附面層網(wǎng)格在各方向上的最小長(zhǎng)度，X ＝ratio、Y ＝ratio、Z ＝ratio為附面層網(wǎng)格高度的增長(zhǎng)率，N為網(wǎng)格總數(shù)。圖2給出了各方案擾流柱附近的網(wǎng)格特征截面圖。

表1 網(wǎng)格方案Table1 Grid solutions

圖3給出了不同網(wǎng)格方案下全局平均Nu數(shù)曲線圖。可見，方案2對(duì)比方案1的全局平均Nu數(shù)上升仍然較大，但方案3與方案2相比變化量明顯減小，而方案4相對(duì)于方案3網(wǎng)格數(shù)量增加了45%，但Nu數(shù)的變化量只有1.4%。故可以認(rèn)為，方案3的解已基本與網(wǎng)格無關(guān)。綜合考慮計(jì)算精度和時(shí)間效率，本文采用網(wǎng)格方案3。

2.3 壁面處理

采用壁面無滑移邊界條件，壁面的處理采用壁面函數(shù)法，其中粘性底層為線性層，然后是對(duì)數(shù)層和湍流層，如圖4所示。其中，在對(duì)數(shù)層內(nèi)：

式中：u+為近壁面速度，uτ為摩擦速度，Ut為壁面外Δy距離上的切向速度分量，y+為無量綱長(zhǎng)度，τω為壁面剪切應(yīng)力，κ為von-Karman常數(shù)，C是與壁面粗糙度有關(guān)的常數(shù)。

2.4 計(jì)算狀態(tài)

根據(jù)該型發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片真實(shí)工作環(huán)境下的進(jìn)口溫度、進(jìn)口總壓和出口背壓，換算得到進(jìn)入尾緣流柱區(qū)域的冷卻氣體的質(zhì)量流量總和為5.00 g/s。為研究通道在不同進(jìn)氣比下的流動(dòng)和換熱，將5.00 g/s按不同比例分配到進(jìn)口1和進(jìn)口2中，具體計(jì)算工況見表2。

表2 計(jì)算狀態(tài)Table 2 States of calculation

3 計(jì)算結(jié)果

3.1 流動(dòng)特性分析

圖5給出了尾緣通道在不同進(jìn)氣比下的流場(chǎng)?？梢?，隨著進(jìn)氣比的增加，流場(chǎng)結(jié)構(gòu)有很大的改變。大進(jìn)氣比時(shí)，通道中部形成一個(gè)大渦，這是因?yàn)檎龑?duì)通道進(jìn)口1的前排擾流柱的阻擋，使尾緣通道內(nèi)冷卻氣體大致被分為三股，其中兩股冷氣直接從通道頂部和中部流出，第三股冷氣則沿著中間隔板流到通道底部，然后與從通道底部進(jìn)口2進(jìn)入的冷氣匯集后，改變流動(dòng)方向最終從通道底部流出。這種流動(dòng)結(jié)構(gòu)增加了冷氣在通道內(nèi)的流動(dòng)范圍，有利于冷氣在通道中長(zhǎng)時(shí)間停留，同時(shí)也有利于中間隔板區(qū)域的對(duì)流換熱。但是由于大渦的存在，導(dǎo)致通道中截面擾流柱區(qū)域冷氣供應(yīng)不足，使得尾緣中部的冷卻效果相對(duì)較弱。

圖6給出了通道出口截面處沿徑向的質(zhì)量流量分布，其中橫坐標(biāo)表示出口截面處沿徑向的無量綱距離。從圖中可以看出，小進(jìn)氣比(g≤0.50)下，出口質(zhì)量流量沿徑向分布較均勻，只在通道頂部有小幅度增加。大進(jìn)氣比(g＞0.50)下，出口質(zhì)量流量分布沿徑向變化較大，在通道頂部區(qū)域分布較多，約占整個(gè)通道流量的30%。

3.2 換熱特性分析

圖7給出了在不同進(jìn)氣比下尾緣通道的換熱系數(shù)云圖?？梢?，小進(jìn)氣比下，整個(gè)通道的對(duì)流換熱都比較弱，其中中間隔板附近對(duì)流換熱最弱。隨著進(jìn)氣比的增加，葉尖區(qū)域的換熱逐漸加強(qiáng)，在進(jìn)氣比大于0.50的情況下，通道頂部區(qū)域?qū)α鲹Q熱顯著增強(qiáng)，同時(shí)中間隔板附近對(duì)流換熱也有所改善，但通道中部擾流柱區(qū)域的換熱相對(duì)較弱。根據(jù)上文流動(dòng)特性分析結(jié)果，這正好是通道中部大渦所處位置。由于此處并不是葉片尾緣的高溫區(qū)，因此該區(qū)域相對(duì)較低的內(nèi)腔換熱能力不會(huì)惡化葉片整體溫度水平。

圖8給出了尾縫通道的全局平均Nu數(shù)隨進(jìn)氣比的變化規(guī)律?？梢?，進(jìn)氣比小于0.50的情況下，全局平均Nu數(shù)的變化量不大，進(jìn)氣比從0.10增加到0.50時(shí) Nu數(shù)只增加了0.7，增長(zhǎng)速率(ΔNu/Δg)為1.8；進(jìn)氣比在0.50～0.95之間時(shí)，前腔冷氣流量占比對(duì)尾緣通道換熱特性的影響非常大，隨著進(jìn)氣比的增大，通道全局平均Nu數(shù)迅速增加，Nu數(shù)增長(zhǎng)速率為11.7；進(jìn)氣比超過0.95以后，通道全局平均Nu數(shù)的增長(zhǎng)趨勢(shì)逐漸減小，進(jìn)氣比從0.95增長(zhǎng)到1.00時(shí)，全局平均Nu數(shù)增長(zhǎng)速率降為7.9。

圖9給出了通道局部平均 Nu數(shù)沿徑向的變化。從圖中可以看出，在研究范圍內(nèi)，尾緣通道的換熱隨著徑向半徑的增加逐漸增強(qiáng)。小進(jìn)氣比下，局部平均Nu數(shù)總體上沿徑向的變化量不大，只在通道頂部區(qū)域換熱有一定增強(qiáng)，這是因?yàn)榇蟛糠掷錃馐菑耐ǖ赖撞?進(jìn)口2)進(jìn)入擾流柱區(qū)域，只有小部分冷氣是從通道頂部(進(jìn)口1)進(jìn)入擾流柱區(qū)域，因此對(duì)頂部區(qū)域換熱的強(qiáng)化作用相對(duì)較弱。大進(jìn)氣比下，局部平均Nu數(shù)沿徑向有明顯的增大趨勢(shì)，這是因?yàn)榇藭r(shí)大部分冷氣從通道頂部(進(jìn)口1)進(jìn)入擾流柱區(qū)域，冷氣的流速較大，加之?dāng)_流柱的擾流作用(此處流動(dòng)較混亂)，這些都有利于換熱。

4 結(jié)論

(1)雙向進(jìn)氣尾緣通道的局部平均換熱能力隨著徑向半徑的增加逐漸增強(qiáng)，而且進(jìn)氣比越大增強(qiáng)的趨勢(shì)越顯著。

(2)進(jìn)氣比小于0.50的情況下，尾縫出口的質(zhì)量流量沿徑向分布比較均勻，只在通道頂部有小幅增加，整個(gè)通道的對(duì)流換熱能力都較弱，其中中間隔板附近對(duì)流換熱最弱。

(3)隨著進(jìn)氣比的增大，葉尖和隔板附近的流量逐漸增加，尾縫出口質(zhì)量流量分布沿徑向發(fā)生較大變化，通道全局平均Nu數(shù)逐漸增加，且增長(zhǎng)趨勢(shì)逐漸減小。

(4)進(jìn)氣比超過0.80以后，尾緣葉尖區(qū)域的流量顯著增加，尾緣通道的總體換熱能力大幅提升，中間隔板附近對(duì)流換熱有所改善，尾緣中上部區(qū)域換熱明顯加強(qiáng)。

(5)針對(duì)本文所研究的發(fā)動(dòng)機(jī)高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片，建議將進(jìn)口1的冷氣流量比增加到0.80左右，以強(qiáng)化尾緣中上部區(qū)域冷卻，解決該區(qū)域氧化超溫問題。

[1]Cunha F J，Chyu M K.Trailing-edge cooling for gas tur?bines[J].Journal of propulsion and power，2006，22(2)：286—300.

[2]周建興，陶 智，吳 宏，等.渦輪葉片尾緣復(fù)合冷卻通道換熱的數(shù)值模擬[J].航空動(dòng)力學(xué)報(bào)，2004，30(2)：147—151.

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Effect of flow distribution on flow and heat transfer in the trailing edge channel

PAN Bing-hua
(AECC Sichuan Gas Turbine Establishment，Chengdu 610500，China)

Numerical methods are used to investigate the flow and heat transfer characteristics of trailing edge channel with double-inlet at different intake ratio.The results show that the increase of the intake ra?tio is helpful to improve the global average heat transfer capacity of trailing edge channel.W ith small air in?take ratio，the radial mass flow distribution at the channel exit is uniform and the global heat transfer capac?ity of channel is very weak,especially the area around clapboard middle part.When the air intake ratio is more than 0.8,the radial mass flow distribution changes greatly,and heat transfer of channel tip is the stron?gest,furthermore heat transfer of the area around clapboard middle part is improved.

aero-engine；turbine；blade；double-inlet;pin-fins；diaphragm plate；numerical simulation

V231.1

：A

：1672-2620(2017)02-0045-06

2016-11-14；

：2017-03-15

潘炳華(1976-)，男，重慶合川人，高級(jí)工程師，碩士，主要從事航空發(fā)動(dòng)機(jī)空氣系統(tǒng)與熱分析研究。