孟通, 朱惠人, 劉存良, 徐博涵

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

隨著現(xiàn)代渦輪發(fā)動機(jī)技術(shù)的發(fā)展,渦輪前溫度逐漸提高,渦輪葉片的熱負(fù)荷隨之增加,因此需要先進(jìn)的冷卻方式來保證發(fā)動機(jī)熱端部件的正常工作[1]。典型的渦輪葉片外部冷卻方式為氣膜冷卻,即在渦輪葉片表面及端壁附近布置一排或多排離散氣膜孔以達(dá)到冷卻的目的。大部分的氣膜冷卻設(shè)計(jì)中都采用多排氣膜孔的冷卻方式,此時(shí)孔排氣膜間存在相互作用,因此學(xué)者們對氣膜間的流動換熱規(guī)律以及如何準(zhǔn)確地估算多排氣膜的冷卻效率方面做了大量的研究工作。

Han等最早對多排氣膜冷卻間相互作用的規(guī)律進(jìn)行分析,并提出應(yīng)用單排氣膜冷卻效率計(jì)算多排氣膜冷效[2],然而影響最大、應(yīng)用最廣泛的是由Sellers基于雙排的二維縫孔模型提出的計(jì)算方法[3],其基本原理可以概括如下。

首先,氣膜冷卻效率定義為由主流燃?xì)鉁囟萒g、壁面附近處的絕熱壁面溫度Taw以及冷氣溫度Tc共同組成的量綱為1的參數(shù)

(1)

在疊加計(jì)算的基本模型中,將前一級氣膜的氣膜摻混后的絕熱壁溫作為本級氣膜的主流溫度來計(jì)算本級的氣膜冷卻效率,經(jīng)過推導(dǎo)可以得到

(2)

式中:ηi(x)為第i排氣膜單獨(dú)存在時(shí)的氣膜冷卻效率。Sellers的疊加計(jì)算模型對于二維縫孔基本是準(zhǔn)確的,但目前渦輪葉片中常用的氣膜孔型為離散的三維氣膜孔,因此許多學(xué)者對于此計(jì)算方法在三維氣膜孔中的應(yīng)用進(jìn)行了研究。學(xué)者們首先研究了平板上的氣膜冷卻效率疊加規(guī)律。Han和Mehendale對氣膜孔排距為2.5D且為叉排的平板雙排氣膜孔結(jié)構(gòu)的疊加效率進(jìn)行了分析研究,結(jié)果表明雙排氣膜孔結(jié)構(gòu)的氣膜冷卻效率的直接測量值與通過單排氣膜冷卻效率的疊加計(jì)算值相比偏高[4]。Harrington等研究了平板上全氣膜條件下絕熱氣膜冷卻效率的疊加規(guī)律,其冷卻結(jié)構(gòu)為10排叉排圓形氣膜孔,結(jié)果表明通過疊加所得冷卻效率與測量值相比偏高[5]。Sasaki等通過實(shí)驗(yàn)研究了氣膜孔間距為3D時(shí)冷卻效率的疊加計(jì)算準(zhǔn)確性,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明Sellers疊加計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)測量值較接近[6]。Saumweber等研究了平板上雙排氣膜孔(包括圓柱型氣膜孔和扇形氣膜孔)的冷卻效率疊加規(guī)律,研究表明Sellers疊加算法對于雙排扇形氣膜孔在低吹風(fēng)比時(shí),第2排孔下游10D后區(qū)域吻合較好,靠近第2排孔位置冷卻效率偏低[7]。

在平板的基礎(chǔ)上,學(xué)者們對渦輪葉片上的氣膜冷卻效率疊加規(guī)律進(jìn)行了研究。Sakata等研究了渦輪導(dǎo)向葉片上的多排氣膜冷卻效率疊加規(guī)律,結(jié)果表明Sellers疊加計(jì)算方法與實(shí)驗(yàn)測量值吻合較好[8]。Mhetras和Luckey等研究了渦輪葉片上氣膜冷卻吹風(fēng)比從1.0變化到2.67時(shí)的疊加計(jì)算規(guī)律,其值與實(shí)際值相近[9-10]。Anderson等研究了渦輪葉片前緣的氣膜冷卻效率疊加規(guī)律,結(jié)果表明高動量比下疊加計(jì)算值與實(shí)測值相比較低[11]。Schneider等研究了前緣氣膜對壓力面扇形孔冷卻效率的疊加規(guī)律影響[12]。其他學(xué)者們對疊加計(jì)算的適用性同樣進(jìn)行了研究,但由于實(shí)驗(yàn)條件以及測量準(zhǔn)確性等原因其結(jié)論不盡相同[13-15]。

因此,學(xué)者們在Sellers疊加公式的基礎(chǔ)上進(jìn)行了修正及改進(jìn)。Andreini等對Sellers模型進(jìn)行了改進(jìn)并定義了疊加長度的概念[16]。朱惠人等在疊加公式的基礎(chǔ)上引入了關(guān)于吹風(fēng)比的參數(shù)[17]。Kirollos等對多排小孔間距結(jié)構(gòu)的氣膜冷卻孔的Sellers公式進(jìn)行了改型,從能量的角度出發(fā)重新計(jì)算了每層氣膜的摻混溫度,進(jìn)而得出精確的氣膜冷卻效率并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比,結(jié)果表明基于能量的疊加算法在小孔間距下對冷卻效率預(yù)測較準(zhǔn)確[18]。

針對目前國內(nèi)外關(guān)于渦輪葉片上氣膜冷卻效率疊加規(guī)律研究較少的現(xiàn)狀,且多為對Sellers疊加計(jì)算公式適用性驗(yàn)證研究,而沒有考慮實(shí)際情況下孔排間相互作用的冷卻機(jī)理,本文針對3種典型的影響氣膜冷卻效率疊加計(jì)算的因素進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)及計(jì)算研究,總結(jié)其疊加規(guī)律,分析疊加機(jī)理并給出相應(yīng)的疊加公式修正方法。本文豐富了相關(guān)研究內(nèi)容,并可為多排孔冷卻設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

1　實(shí)驗(yàn)裝置及測量方法

1.1　實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)在低速葉柵風(fēng)洞中進(jìn)行,實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示。系統(tǒng)主要包括主流系統(tǒng)及二次流系統(tǒng)兩部分,其中主流系統(tǒng)包括離心風(fēng)機(jī)、儲氣罐、進(jìn)口穩(wěn)定段、主流穩(wěn)壓箱、蜂窩器、收縮段、加熱器、實(shí)驗(yàn)段等,實(shí)驗(yàn)二次流系統(tǒng)由離心風(fēng)機(jī)、穩(wěn)壓儲氣罐、閥門、流量計(jì)、加熱器等組成。實(shí)驗(yàn)中葉片及葉柵通道的參數(shù)如表1所示。

表1　葉柵及葉片幾何參數(shù)

渦輪葉片實(shí)驗(yàn)件如圖2所示,葉片采用光固化快速成型(3D打印)工藝加工而成,葉片材料為光敏樹脂,加工誤差在±0.1 mm以內(nèi)。葉片吸力面及壓力面共布置4排圓柱型氣膜孔,其中壓力面2排氣膜孔,吸力面2排氣膜孔,氣膜孔徑D=0.7 mm。為了研究每排氣膜間的相互作用機(jī)理,需要對壓力面及吸力面每排氣膜的吹風(fēng)比進(jìn)行精確控制,因此實(shí)驗(yàn)件中位于壓力面及吸力面的4排氣膜孔,每排都分別供氣。

圖2　渦輪葉片實(shí)驗(yàn)件

1.2　實(shí)驗(yàn)測量方式

本文實(shí)驗(yàn)中采用紅外測量的方法應(yīng)用瞬態(tài)導(dǎo)熱測量理論對葉片表面進(jìn)行全表面測量。文獻(xiàn)[19]對瞬態(tài)傳熱測量理論做了詳細(xì)介紹,為本實(shí)驗(yàn)中的理論依據(jù),本文不再贅述。實(shí)驗(yàn)中通過K型熱電偶及4718溫度采集模塊對主流腔及二次流腔的溫度進(jìn)行測量,葉片表面溫度通過Xenics Gobi-640-GigE紅外相機(jī)測量,相機(jī)的像素為640×480。由于主流實(shí)驗(yàn)段不透紅外光,因此在主流實(shí)驗(yàn)段處布置透光率約為0.92的鍺玻璃。實(shí)驗(yàn)測量中紅外相機(jī)的準(zhǔn)確度受到紅外相機(jī)本身的芯片溫度的影響,因此將紅外相機(jī)測量溫度與標(biāo)準(zhǔn)熱電偶測量溫度相對比,從而對紅外相機(jī)進(jìn)行校準(zhǔn)。4種芯片溫度的校準(zhǔn)結(jié)果如圖3所示。

1.3　數(shù)據(jù)處理方式實(shí)驗(yàn)誤差分析

本文實(shí)驗(yàn)中主流與二次流溫度通過K型熱電偶測量,測量誤差ΔTc=±0.2 K,渦輪葉片表面溫度通過紅外相機(jī)測量,測量誤差ΔTR=±1 K,時(shí)間測量誤差Δt=±0.1 s。根據(jù)誤差傳遞公式,可以計(jì)算出實(shí)驗(yàn)中氣膜冷卻效率的誤差約為6.2%[20]。

圖3　紅外相機(jī)校準(zhǔn)曲線

2　計(jì)算模型及網(wǎng)格參數(shù)

2.1　物理模型

為了分析氣膜孔排間的相互作用規(guī)律,本文采用了數(shù)值模擬方法對相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)工況進(jìn)行計(jì)算研究。吸力面雙排氣膜孔的冷卻效率計(jì)算模型如圖4所示。在某型渦輪葉片基礎(chǔ)上,分別在壓力面及吸力面布置兩排圓柱型氣膜孔,氣膜孔排布方式包括順排及叉排兩種排列方式。在沿葉高方向上氣膜孔布局具有周期性,因此為節(jié)省計(jì)算成本在進(jìn)行數(shù)值計(jì)算時(shí),計(jì)算模型只取一個周期單元進(jìn)行計(jì)算,在氣膜孔兩側(cè)邊界區(qū)域采用周期性邊界條件,沿葉高方向計(jì)算單元內(nèi)部包括5排氣膜孔。計(jì)算模型中位于壓力面及吸力面處的氣膜孔直徑D=0.7 mm,氣膜孔間距P/D=3。葉片前緣氣膜孔直徑D=0.7 mm,氣膜孔沿葉高方向展向偏角為90°。其余壓力面氣膜孔模型及單排氣膜孔模型與之類似。

圖4　吸力面雙排孔數(shù)值模擬幾何模型

2.2　計(jì)算網(wǎng)格及邊界條件

(a)計(jì)算網(wǎng)格圖　　　　　(b)圖格局部放大圖圖5　吸力面單排氣膜孔數(shù)值計(jì)算網(wǎng)格

圖6　網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證

本計(jì)算中網(wǎng)格均采用ICEM CFD 13.0生成。為了準(zhǔn)確計(jì)算邊界層內(nèi)的速度和溫度分布,對于增強(qiáng)壁面函數(shù),要求鄰近壁面的y+<1,因此各計(jì)算模型在氣膜孔內(nèi)以及鄰近壁面處的網(wǎng)格均添加了Prism邊界層進(jìn)行了加密處理。近壁面處,邊界層有15層,第1層厚度約為0.001 mm,增長比率為1.15,計(jì)算結(jié)果y+均在1附近,符合要求。圖5為吸力面布置單排氣膜孔的網(wǎng)格示意圖。在進(jìn)行計(jì)算前對網(wǎng)格無關(guān)性進(jìn)行了驗(yàn)證,如圖6所示,對3種數(shù)量的網(wǎng)格(例1為800萬;例2為1 000萬;例3為1 200萬)進(jìn)行對比,發(fā)現(xiàn)網(wǎng)格數(shù)增長至1 000萬以上時(shí),氣膜孔后壁面溫度分布已經(jīng)基本不變,因此選用了1 000萬的網(wǎng)格密度作為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行其他模型的網(wǎng)格劃分。本文中數(shù)值計(jì)算采用SST湍流模型,壁面函數(shù)采用Scalable壁面函數(shù)。數(shù)值模擬研究中計(jì)算工況及邊界條件根據(jù)實(shí)驗(yàn)工況設(shè)定,主流設(shè)置為速度入口邊界條件,進(jìn)口速度為20 m/s,主流溫度為300 K,湍流度為1%。主流出口設(shè)置為壓力邊界條件,壓力為1個大氣壓。二次流進(jìn)口設(shè)置為質(zhì)量流量入口邊界條件,二次流溫度為330 K,湍流度為5%。通過調(diào)整二次流質(zhì)量流量控制吹風(fēng)比,本文中吹風(fēng)比從0.5增至2。數(shù)值模擬中為計(jì)算絕熱氣膜冷卻效率,壁面設(shè)置為絕熱壁面,計(jì)算所得溫度為絕熱壁面溫度。

3　實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1　實(shí)驗(yàn)及計(jì)算工況

實(shí)驗(yàn)研究了主流雷諾數(shù)Re=86 500時(shí)壓力面及吸力面雙排氣膜孔在不同吹風(fēng)比M=0.5,1.0,1.5,2.0條件下的氣膜冷卻效率疊加特性。實(shí)驗(yàn)中主流雷諾數(shù)根據(jù)氣膜孔直徑定義

(3)

吹風(fēng)比定義為

(4)

式中:Ug、ρg為主流速度及主流密度;Uc、ρc為氣膜孔入口平均速度及二次流密度;μg為主流的動力黏性系數(shù)。

3.2　冷卻效率疊加結(jié)果與討論

本節(jié)中對渦輪葉片上壓力面及吸力面的雙排孔氣膜冷卻疊加特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)及數(shù)值計(jì)算分析,并對疊加公式進(jìn)行了改良。

3.2.1渦輪葉片不同位置處的疊加規(guī)律渦輪葉片不同位置型面差異明顯,吸力面為凸面,曲率較大,壓力面為凹面,曲率較小,因此流體的氣動狀態(tài)在吸力面及壓力面會呈現(xiàn)不同的分布規(guī)律。本文在研究葉片氣膜冷卻效率疊加規(guī)律前對實(shí)驗(yàn)葉片的氣動規(guī)律進(jìn)行了測量。圖7為4種主流雷諾數(shù)下實(shí)驗(yàn)測量的葉片壓力系數(shù)Cp分布。從圖中可以看出,不同雷諾數(shù)下吸力面及壓力面的壓力系數(shù)分布規(guī)律基本相近。在吸力面上,壓力系數(shù)從前緣開始迅速減小,而后有所提升。在壓力面上,前緣區(qū)域內(nèi)壓力系數(shù)降低較快,之后在相對弧長S/S0=-0.05～-0.6范圍內(nèi)緩慢降低,隨后再次迅速降低直至尾緣附近。葉片吸力面的曲率更大,葉柵通道內(nèi)的流體沿著凸面流動,氣流突然加速,伴隨速度增加壓力降低很快,隨后出現(xiàn)局部的逆壓區(qū);葉片壓力面前半段曲率較小,流體加速不明顯,同樣壓力變化不大。整體上看,葉片壓力面上的氣流流動相對簡單。

圖7　4種主流雷諾數(shù)下實(shí)驗(yàn)測量的葉片壓力系數(shù)分布

3.2.2葉片形狀因素對疊加規(guī)律的影響圖8為M=0.5時(shí)渦輪葉片吸力面第1排、第2排和雙排氣膜孔的冷卻效率實(shí)驗(yàn)測量值及疊加計(jì)算的展向平均值。疊加計(jì)算值通過式(5)中Sellers疊加計(jì)算方法得出。從圖中可以看出,單排及雙排孔的冷卻效率均隨著孔下游氣膜的逐漸發(fā)展而降低。M=0.5條件下第1排氣膜由于吸力面的凸面的曲率作用,氣膜脫離壁面的趨勢增強(qiáng),在第2排氣膜孔附近冷卻效率處于一個較低水平,已接近0.1。此時(shí),兩氣膜間的相互作用較小,雙排孔后氣膜冷卻效率主要受到第2排氣膜孔的影響,因此疊加計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)測量值相比雖然仍較高但在近孔區(qū)域(X/D<5)基本吻合,誤差在5%范圍內(nèi),在遠(yuǎn)孔區(qū)域(X/D>5)誤差逐漸增大。

圖8　M=0.5時(shí)吸力面冷卻效率疊加規(guī)律

圖9為M=0.5時(shí)渦輪葉片壓力面第1排、第2排和雙排氣膜孔的冷卻效率實(shí)驗(yàn)測量值及疊加計(jì)算的展向平均值。從圖中可以看出,M=0.5條件下第1排氣膜由于壓力面的凹面的曲率作用,氣膜較容易附著于壁面上,其在第2排氣膜孔附近冷卻效率仍較高,此時(shí)兩排氣膜間的相互作用較強(qiáng)。相比于葉片吸力面,壓力面的疊加計(jì)算值偏高。從近孔區(qū)域至遠(yuǎn)孔區(qū)域,疊加計(jì)算值均高出實(shí)驗(yàn)測量值約13%。

圖9　M=0.5時(shí)壓力面冷卻效率疊加規(guī)律

(a)壓力面第2排氣膜孔前　(b)壓力面第2排氣膜孔后

(c)孔后疊加計(jì)算結(jié)果　　　(d)孔后直接計(jì)算結(jié)果圖10　壓力面歸一化速度場及溫度場

這種氣膜間的作用規(guī)律可以在圖10中觀察到。圖中為數(shù)值計(jì)算得到的第2排氣膜孔沿流動方向孔前5D、孔后5D的歸一化溫度及速度場。第1排氣膜在流出氣膜孔后形成一組外卷對渦,如圖中A區(qū)域所示。這股外卷渦對在第2排氣膜孔壁面附近形成自壁面向上的流動趨勢,對其附近流體產(chǎn)生“抽吸作用”,將第2排氣膜向上拉升,此時(shí)前后排氣膜間處于“層狀疊加”的狀態(tài)。當(dāng)氣膜孔排處于渦輪葉片吸力面時(shí),單排氣膜的脫離現(xiàn)象已較明顯,因此雙排氣膜間這種抽吸作用相對不強(qiáng)烈,疊加計(jì)算值較準(zhǔn)確。然而,當(dāng)氣膜孔排位于葉片壓力面時(shí),葉片凹面的作用使得氣膜貼壁性較好,這種相互作用增強(qiáng)。如圖中B區(qū)域所示,兩排氣膜間作用后,渦結(jié)構(gòu)的范圍擴(kuò)大,渦中心遠(yuǎn)離壁面。應(yīng)用疊加計(jì)算公式時(shí)考慮不到氣膜間的這種相互影響,因此疊加計(jì)算結(jié)果有所偏高。

研究發(fā)現(xiàn),疊加計(jì)算的準(zhǔn)確性受到吹風(fēng)比及沿流動方向的歸一化距離X/D的影響,因此引入?yún)?shù)M及X/D對疊加公式進(jìn)行修正,其形式為

(5)

式中:η為雙排氣膜孔后氣膜冷卻效率疊加值;η1、η2為只存在單排氣膜孔時(shí)第1排、第2排氣膜孔后的冷卻效率;C為修正系數(shù),包含M及X/D。此修正公式對應(yīng)的實(shí)驗(yàn)工況為Re=86 000,葉片進(jìn)氣角為90°。

對于吸力面

C=50.1M(X/D)-1.12M-

74.8(X/D)+2.61

(6)

對于壓力面

C=16.87M(X/D)+117.25M-

8.41(X/D)-57.75

(7)

圖11　M=1.0時(shí)吸力面冷卻效率疊加規(guī)律

3.2.3吹風(fēng)比對疊加規(guī)律的影響圖11為M=1.0時(shí)吸力面第1排、第2排和雙排氣膜孔的冷卻效率實(shí)驗(yàn)測量值及疊加計(jì)算的展向平均值。從圖中可以明顯看出,隨著吹風(fēng)比的增加,冷氣量增多,相同壁面曲率條件下氣膜冷卻效率有所提高。第1排氣膜孔的冷卻效率在第2排氣膜孔后有所提升,雙排孔后區(qū)域受兩排氣膜孔共同作用,此時(shí)第1排氣膜的疊加作用變得明顯。通過Sellers疊加計(jì)算的氣膜冷卻效率相比于實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果的誤差增大,近孔區(qū)域約為8%,遠(yuǎn)孔區(qū)域約為17%,但由于吸力面的型面曲率作用,氣膜脫壁性增強(qiáng),總的來說兩排氣膜間相互干擾不如壓力面明顯。根據(jù)上節(jié),將疊加計(jì)算方法修正為

C=24.87M(X/D)-0.53M-12.8(X/D)-2.42

(8)

圖12為吹風(fēng)比增加至1.0時(shí)壓力面第1排、第2排和雙排氣膜孔的冷卻效率實(shí)驗(yàn)測量值及疊加計(jì)算的展向平均值。與吸力面情況相類似,隨著吹風(fēng)比的增加,雙排孔后區(qū)域受兩排氣膜孔的共同作用增強(qiáng),前排氣膜對后排氣膜的抽吸作用更明顯。通過Sellers疊加計(jì)算的氣膜冷卻效率相比于實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果的偏差進(jìn)一步增大,誤差整體約為16%。因此,將疊加計(jì)算方法修正為

C=68.53M(X/D)+10.02M-

34.29(X/D)-3.81

(9)

圖12　M=1.0時(shí)壓力面冷卻效率疊加規(guī)律

圖13為第2排氣膜孔沿流動方向孔后5D的歸一化溫度場,吹風(fēng)比對氣膜間相互作用的影響可以在圖中清晰地觀察到。相比于圖10中疊加計(jì)算結(jié)果與直接計(jì)算結(jié)果之間的區(qū)別,當(dāng)吹風(fēng)比增大時(shí)由于前排氣膜的抽吸作用所帶來的第2排孔后渦結(jié)構(gòu)脫離壁面的現(xiàn)象更明顯(框線區(qū)域C),因此通過疊加計(jì)算的壁面冷卻效率有較大的誤差。

(a)Sellers疊加計(jì)算結(jié)果　　(b)雙排孔后計(jì)算結(jié)果圖13　壓力面歸一化溫度場

3.2.4排列方式對疊加規(guī)律的影響圖14、圖15為M=0.5時(shí)雙排氣膜孔間叉排布置時(shí)吸力面以及壓力面的冷卻效率展向平均值。從圖中可以看出,對比圖8、圖9的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,當(dāng)氣膜孔排列方式改為叉排結(jié)構(gòu)時(shí),疊加計(jì)算的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測量值間的誤差減小。在渦輪葉片吸力面,從第2排孔近孔區(qū)域至遠(yuǎn)孔區(qū)域叉排結(jié)構(gòu)的疊加計(jì)算值與實(shí)測值均較接近,二者間最大誤差小于5%。在渦輪葉片壓力面,第2排孔后近孔區(qū)域疊加計(jì)算值稍有偏高,遠(yuǎn)孔區(qū)域疊加計(jì)算較準(zhǔn)確。這種現(xiàn)象與叉排結(jié)構(gòu)中雙排氣膜間的相互作用規(guī)律緊密相關(guān)。

圖14　吸力面叉排結(jié)構(gòu)冷卻效率疊加規(guī)律

圖16為M=0.5時(shí)壓力面叉排結(jié)構(gòu)第2排氣膜孔沿流動方向孔前5D、孔后5D的歸一化溫度場及速度場。從圖中可以看出,與順排結(jié)構(gòu)前后兩排氣膜渦結(jié)構(gòu)直接作用不同,對于氣膜孔叉排結(jié)構(gòu),前后兩排氣膜孔間交叉排列,兩排氣膜孔后反轉(zhuǎn)對渦交叉排開(圖中A、B兩組對渦),為“塊狀疊加”方式,這兩組對渦在交界處轉(zhuǎn)向相反,因此有相互擠壓的作用,氣膜被壓向壁面,同時(shí)提高了冷氣的貼壁性。因此,通過疊加計(jì)算所得的溫度場溫度分布較均勻,與實(shí)際溫度場間差異較小。

(a)壓力面第2排氣膜孔前　(b)壓力面第2排氣膜孔后

(c)孔后疊加計(jì)算結(jié)果　　　(d)孔后直接計(jì)算結(jié)果圖16　壓力面叉排結(jié)構(gòu)歸一化速度場及溫度場

4　結(jié)　論

本文根據(jù)瞬態(tài)導(dǎo)熱測量理論,采用紅外測量技術(shù)對渦輪葉片雙排氣膜冷卻效率疊加特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,并輔以數(shù)值模擬計(jì)算方法對其疊加的流動機(jī)理進(jìn)行了分析,主要結(jié)論如下。

(1)受渦輪葉片壓力面及吸力面型面曲率的影響,氣膜冷卻效率疊加計(jì)算的準(zhǔn)確性有所區(qū)別。葉片吸力面型面為凸面且曲率較大,氣膜吹脫現(xiàn)象明顯,疊加計(jì)算誤差較小。葉片壓力面型面為凹面且曲率較小,氣膜貼壁性強(qiáng),疊加計(jì)算偏差大。

(2)吹風(fēng)比對氣膜冷卻效率疊加計(jì)算準(zhǔn)確性有較大影響,低吹風(fēng)比時(shí)疊加較準(zhǔn)確,高吹風(fēng)比時(shí)誤差較大。當(dāng)疊加計(jì)算誤差較大時(shí),本文針對Sellers疊加公式提出了相應(yīng)的修正。

(3)氣膜孔排布方式對冷卻效率疊加計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確性有影響。氣膜孔叉排布置時(shí),前后排氣膜間呈現(xiàn)“塊狀疊加”現(xiàn)象,氣膜間干擾較弱,疊加計(jì)算結(jié)果較準(zhǔn)確。氣膜孔順排布置時(shí),前后排氣膜呈現(xiàn)“層狀疊加”現(xiàn)象,氣膜間相互干擾增強(qiáng),疊加計(jì)算結(jié)果偏高。

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根據(jù)設(shè)定的情景條件，對5個影響因素每隔0.5 h采集一次樣本數(shù)據(jù)，采用調(diào)查問卷法得到影響因素的定性判定數(shù)據(jù)。各因素風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)劃分為強(qiáng)+(A)，強(qiáng)(B)，中等(C)，弱(D)，弱-(E)5個狀態(tài)。

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