郭嘉杰,王新軍,鮑宇航

(西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院,710049,西安)

燃?xì)廨啓C(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單安裝周期短,憑借其所特有的啟動(dòng)快、體積和質(zhì)量小、少用或不用冷卻水等一系列優(yōu)點(diǎn),在國(guó)民生產(chǎn)、軍事科技、國(guó)防領(lǐng)域中應(yīng)用越來越廣,現(xiàn)代燃機(jī)技術(shù)進(jìn)一步向高參數(shù)、高效率發(fā)展。高溫燃?xì)庠跍u輪動(dòng)葉受吸力面與壓力面壓差影響,部分燃?xì)饬鹘?jīng)動(dòng)靜間隙形成泄漏流與泄漏渦,惡化葉頂傳熱并產(chǎn)生泄漏損失。為改善渦輪葉頂?shù)膫鳠崤c氣動(dòng)性能,合理設(shè)計(jì)葉頂結(jié)構(gòu)會(huì)對(duì)泄漏流的減少與傳熱系數(shù)的降低起到十分重要的作用[1]。

對(duì)帶有凹槽結(jié)構(gòu)的動(dòng)葉葉頂研究是泄漏流領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)。Yang等對(duì)凹槽式葉頂結(jié)構(gòu)的研究表明,將平面葉頂替換成凹槽式葉頂不僅改善了葉頂?shù)膫鳠嵝阅?而且降低了葉頂?shù)男孤┝髁縖2-3]。Heyes等研究了直葉柵中半凹槽式的單側(cè)突起結(jié)構(gòu)特點(diǎn),發(fā)現(xiàn)單側(cè)突起結(jié)構(gòu)尤其是吸力面的單側(cè)突起結(jié)構(gòu)能有效降低葉頂泄漏流量[4]。Bunker等通過測(cè)量葉頂間隙對(duì)傳熱的影響發(fā)現(xiàn),縮小葉頂間隙能減小葉頂換熱系數(shù),隨著葉頂間隙減小38%,葉頂傳熱系數(shù)相應(yīng)減小10%[5]。Zou等通過對(duì)帶斜邊的葉頂凹槽數(shù)值模擬建立了考量葉頂間隙的葉頂換熱預(yù)測(cè)模型[6]。Maral等基于遺傳算法對(duì)凹槽高度及寬度進(jìn)行了多目標(biāo)優(yōu)化,發(fā)現(xiàn)凹槽結(jié)構(gòu)對(duì)葉頂流動(dòng)換熱有顯著影響[7]。姜世杰等在凹槽葉頂?shù)幕A(chǔ)上加入了中弧線垂直方向肋條,有效降低了腔室內(nèi)的漩渦強(qiáng)度與尾緣區(qū)域的傳熱系數(shù)[8]。

為進(jìn)一步改善葉頂?shù)膿Q熱、氣動(dòng)性能,也有許多學(xué)者對(duì)流動(dòng)機(jī)理及葉頂冷卻孔展開了研究。Saul等通過實(shí)驗(yàn)認(rèn)為泄漏流的沖擊與再附著是影響葉頂換熱系數(shù)分布的主要原因[9]。李盼等對(duì)間隙內(nèi)的流動(dòng)損失進(jìn)行了分析,發(fā)現(xiàn)增強(qiáng)漩渦間的相互作用可以降低泄漏流的周向速度,進(jìn)而充分耗散漩渦降低泄漏損失[10]。Ameri等比較了穩(wěn)態(tài)與非穩(wěn)態(tài)靜葉尾跡對(duì)動(dòng)葉傳熱效率的影響,發(fā)現(xiàn)主要差異表現(xiàn)在吸力面及葉根、葉頂附近區(qū)域,整體差值在20%左右,葉頂區(qū)域的傳熱結(jié)果差異在2%以內(nèi)[11]。杜坤同樣對(duì)非定常入口條件下的凹槽葉頂進(jìn)行了數(shù)值模擬,認(rèn)為靜葉的非定常尾跡會(huì)對(duì)葉頂間隙內(nèi)部的流動(dòng)和換熱產(chǎn)生顯著影響[12]。Ahn等在凹槽葉片的葉身頂部附近設(shè)計(jì)了氣膜孔,用以改善葉頂?shù)膿Q熱性能[13]。黃琰等設(shè)計(jì)了中弧線與近壓力面雙排冷卻方式,強(qiáng)化了近壓力面?zhèn)?、肩壁和葉頂尾緣區(qū)域的冷卻效果[14]。李琛璽運(yùn)用數(shù)據(jù)優(yōu)化算法對(duì)凹槽葉頂?shù)臍饽た着挪技翱讖酱笮∵M(jìn)行了再分配,增強(qiáng)了葉頂前緣的氣膜包覆,提高了冷卻效率[15]。

目前對(duì)于凹槽葉頂腔室內(nèi)部流場(chǎng)及傳熱的研究已有較長(zhǎng)歷史,但缺乏對(duì)于新型氣膜孔及傾角概念的引入。Issakhanian等曾對(duì)平板橢圓截面氣膜孔展開過研究,認(rèn)為橢圓孔結(jié)構(gòu)相較于扇形孔更簡(jiǎn)單,冷卻效果更好,且降低了由于出口流速不均勻而導(dǎo)致的高溫主流回流的風(fēng)險(xiǎn)[16]。本文首次將橢圓氣膜孔應(yīng)用在凹槽葉頂設(shè)計(jì)中,并運(yùn)用不同傾角來改善葉頂間隙內(nèi)部渦結(jié)構(gòu),以達(dá)到提高氣膜冷卻效率及降低葉頂泄漏流量的目的,可為渦輪葉頂設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 數(shù)值計(jì)算模型及驗(yàn)證

以靜止?fàn)顟B(tài)的GE-E3燃?xì)廨啓C(jī)第一級(jí)動(dòng)葉葉型為研究對(duì)象,全工況下轉(zhuǎn)速均為0。葉片及流道幾何參數(shù)與Ahn等的實(shí)驗(yàn)研究[13]相符。如圖1所示,主流入口截面周向?qū)挾葹?7.75 mm,葉片軸向弦長(zhǎng)86.1 mm,氣流入口與軸向夾角為32°,出口夾角為65.7°,葉身高度127.08 mm。葉頂向下切削出環(huán)形肩壁,所包圍腔室稱為凹槽。凹槽深度為5.08 mm,凹槽內(nèi)型線與葉片型線間距為2.286 mm,凹槽底部設(shè)立7個(gè)氣膜孔,氣膜孔徑向深度為6.36 mm,葉頂間隙為無凹槽葉身的1.5%,即機(jī)匣面與凹槽上壁面間隔1.83 mm,結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 葉柵流道示意圖

(a)凹槽底部?jī)A角 (b)葉頂間隙與凹槽肩壁圖2 葉頂凹槽結(jié)構(gòu)

圓形氣膜孔直徑為1.27 mm[13],為獲得相同出口面積,改進(jìn)的橢圓氣膜孔長(zhǎng)軸半徑為1.27 mm,短軸半徑為0.317 5 mm,寬高比為4∶1[16],開孔方向如圖3所示。葉片壁面選用無滑移邊界條件,參考文獻(xiàn)[14]中的數(shù)據(jù)給定壁面溫度340 K,為節(jié)省計(jì)算資源,流道兩側(cè)邊界選用為周期性邊界條件。

圖3 葉頂橢圓孔開孔方向

絕熱氣膜冷卻效率η與吹風(fēng)比M的定義為

(1)

(2)

式中:T∞代表主流溫度;Taw代表絕熱壁面溫度;T1代表冷卻流溫度;下標(biāo)1代表冷卻射流。

在對(duì)凹槽氣膜孔傾角影響的研究中,除了無傾角的圓形冷卻孔及橢圓冷卻孔外,為保證合理的冷卻孔內(nèi)氣流充分發(fā)展段[17]以及合理的氣膜孔入口位置,本文設(shè)置了6種傾角結(jié)構(gòu)。前4種結(jié)構(gòu)氣膜孔傾角統(tǒng)一排布,分別為80°、-80°以及70°、-70°,其中以冷卻孔出口朝向壓力面時(shí)所形成的傾角作為正值,傾斜方向?yàn)橹行途€凹槽平面內(nèi)的法線方向;第5種工況為大傾角工況,從葉片前緣冷卻孔至尾緣方向依次給定傾角35°、35°、40°、45°、55°、65°、70°,此時(shí)冷卻孔出流朝向葉頂泄漏流入口間隙方向;第6種工況設(shè)置相對(duì)應(yīng)的反向傾角,以考察大傾角下的葉頂冷卻效率及渦流變化。

邊界條件的設(shè)置與Ahn等的實(shí)驗(yàn)[13]一致:主流入口設(shè)置總壓147.39 kPa,靜溫293 K,湍流強(qiáng)度為9.7%;出口設(shè)置靜壓115.27 kPa,總壓比約為1.28。以主流入口及出口截面的平均速度作為主流速度,冷卻射流給定靜溫380 K,當(dāng)M=1.0時(shí),冷卻射流入口質(zhì)量流量為0.001 41 kg/s,本文主要選取0.5、1.0、1.5三種吹風(fēng)比進(jìn)行研究。

使用ICEM軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分,鑒于CFX軟件采用的“Scalable”壁面條件會(huì)對(duì)不適用于近壁面計(jì)算的湍流模型的壁面網(wǎng)格進(jìn)行自動(dòng)忽略處理,故對(duì)葉片葉身、葉頂、氣膜孔等壁面位置都進(jìn)行了邊界層加密,令壁面第一層網(wǎng)格位置Y+<2。采用CFX 15.0進(jìn)行穩(wěn)態(tài)雷諾時(shí)均N-S方程中的k-ε、k-ω、RNGk-ε、SST湍流模型驗(yàn)證,網(wǎng)格數(shù)為635萬,以文獻(xiàn)[13]中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為依據(jù)在0.5、1.0、2.0三種吹風(fēng)比下與葉頂絕熱平均氣膜冷卻效率進(jìn)行了對(duì)比,結(jié)果如圖4所示,發(fā)現(xiàn)k-ω模型結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合較好,能在中低吹風(fēng)比下較好模擬線型趨勢(shì)。

圖4 湍流模型驗(yàn)證

以k-ω湍流模型進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證,設(shè)置了332萬、427萬、506萬、635萬、892萬5套網(wǎng)格,對(duì)M=1.0時(shí)的葉頂冷卻效率及凹槽底部冷卻效率進(jìn)行了對(duì)比,葉頂及凹槽面氣膜冷卻效率變化結(jié)果如圖5、圖6所示。隨著網(wǎng)格數(shù)的增大,氣膜冷卻效率顯著降低,當(dāng)網(wǎng)格數(shù)達(dá)到635萬后,繼續(xù)增大網(wǎng)格數(shù)冷卻效率變化較小。為在保證計(jì)算準(zhǔn)確性的同時(shí)降低計(jì)算量,數(shù)值模擬選用635萬的網(wǎng)格,網(wǎng)格的整體構(gòu)型如圖7所示,局部構(gòu)型如圖8所示。

圖5 凹槽底部網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證

圖6 葉頂網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證

圖7 整體網(wǎng)格示意圖

(a)葉片前緣(b)冷卻孔圖8 局部網(wǎng)格示意圖

圖9對(duì)比了M=1.0時(shí)數(shù)值模擬結(jié)果與Yang等機(jī)匣面壓比的模擬結(jié)果[18],可以發(fā)現(xiàn)兩者壓比在壓力面、吸力面及葉頂前緣等關(guān)鍵位置的分布一致。圖10展示了與Ahn等的葉頂絕熱氣膜冷卻效率實(shí)驗(yàn)結(jié)果[13]的對(duì)比。由于是實(shí)驗(yàn)結(jié)果且畫面對(duì)比度不高,兩者存在一定的偏差,但冷卻流的出流趨勢(shì)一致,凹槽末端與葉頂出流區(qū)域的特征得到了很好展示,且前文中對(duì)比了與實(shí)驗(yàn)結(jié)果在3種吹風(fēng)比下的絕熱平均冷卻效率,兩者有較好吻合,故認(rèn)為本文網(wǎng)格能有效模擬實(shí)際情況,并應(yīng)用于之后的模擬研究。

(a)模擬結(jié)果 (b)文獻(xiàn)[18]結(jié)果圖9 機(jī)匣面壓比云圖對(duì)比

(a)模擬結(jié)果 (b)文獻(xiàn)[13]結(jié)果圖10 葉頂絕熱氣膜冷卻效率云圖對(duì)比

2 計(jì)算結(jié)果與分析

在數(shù)值模擬計(jì)算中共獲得了8種葉頂結(jié)構(gòu)的結(jié)果,分為兩類孔型與兩類偏轉(zhuǎn)角,為便于記錄,圓形冷卻孔用RH表示,橢圓形冷卻孔用OH表示,在字母后添加上冷卻孔傾角的余角數(shù)值,即徑向偏轉(zhuǎn)角的數(shù)值,以直觀表示冷卻孔傾斜程度。

2.1 流場(chǎng)分析

圖11為圓形冷卻孔在M=1.0工況下的葉頂泄漏流及冷卻射流三維流線圖。當(dāng)主流掠過動(dòng)葉頂層間隙時(shí),流量主要分成3部分:一是正常流部分,該部分流量沿設(shè)計(jì)流動(dòng)方向未發(fā)生泄漏流動(dòng),在壓力面完成做功;二是內(nèi)循環(huán)流動(dòng),該部分流動(dòng)受間隙內(nèi)部凹槽影響形成內(nèi)循環(huán)渦,在凹槽底部引導(dǎo)冷卻射流從吸力面向壓力面方向流動(dòng),并伴隨強(qiáng)烈軸向流,在冷卻孔后形成堆積效應(yīng),增大了下游的冷卻效率,大部分從凹槽末端間隙流出,一部分在內(nèi)循環(huán)流動(dòng)的過程中脫離,從吸力面?zhèn)攘鞒龊髤⑴c形成泄漏渦;第3部分雖流經(jīng)動(dòng)葉葉頂,但未參與內(nèi)循環(huán)流動(dòng),在吸力面?zhèn)攘鞒龊笤谙掠闻c第2部分流量交匯,是最早形成泄漏渦的一部分流量。

(a)葉頂泄漏流

(b)冷卻射流圖11 葉頂泄漏流及冷卻射流三維流線圖

從葉柵流道前中后3個(gè)部分選取截面對(duì)RH0、OH55、OH-55三種情況進(jìn)行分析,觀察葉頂凹槽內(nèi)流線分布情況,如圖12所示。圖13展示了1號(hào)孔截面流線變化情況,無偏角的RH0結(jié)構(gòu)隨著吹風(fēng)比增加,冷卻射流抬升距離增加,OH55結(jié)構(gòu)冷卻出流更貼近壁面,兩者整體流線區(qū)別較小,氣膜冷卻區(qū)域集中在壓力面?zhèn)?。OH-55結(jié)構(gòu)由于受反向?qū)_影響,冷卻射流流線存在明顯偏轉(zhuǎn);小吹風(fēng)比下冷卻射流未能突破內(nèi)循環(huán)流動(dòng)壓迫,在出口附近即發(fā)生流線偏轉(zhuǎn);大吹風(fēng)比下冷卻射流在短距離抬升后發(fā)生偏轉(zhuǎn),導(dǎo)致壓力面?zhèn)葍?nèi)循環(huán)渦核隨之發(fā)生輕微抬升,此時(shí)也有部分冷卻流在吸力面?zhèn)热~頂附著冷卻。

圖14為3號(hào)氣膜孔處的截面流線圖,可以發(fā)現(xiàn)RH0結(jié)構(gòu)依舊是在內(nèi)循環(huán)流動(dòng)的壓迫下覆蓋冷卻壓力面?zhèn)?OH55結(jié)構(gòu)的噴射方向?yàn)榘疾坶g隙的泄漏流入口,對(duì)入口泄漏流起阻塞作用;OH-55結(jié)構(gòu)隨著吹風(fēng)比的增加產(chǎn)生了額外的凹槽內(nèi)渦流,大部分是射流向壓力面?zhèn)绕D(zhuǎn)后在頂層流動(dòng)的切削下產(chǎn)生的壓力面?zhèn)蠕鰷u,小部分是射流突破至吸力面由內(nèi)循環(huán)流動(dòng)作用斜向下偏轉(zhuǎn)產(chǎn)生的吸力面?zhèn)蠕鰷u。

(a)RH0結(jié)構(gòu)(b)OH55結(jié)構(gòu)(c)OH-55結(jié)構(gòu)圖14 凹槽中部3號(hào)孔截面流線圖

圖15給出了尾緣6號(hào)孔截面的流線分布情況,此時(shí)OH55結(jié)構(gòu)的冷卻孔偏轉(zhuǎn)角已經(jīng)降低至25°。從RH0結(jié)構(gòu)中可以發(fā)現(xiàn),凹槽內(nèi)由于周向距離過短,會(huì)在吸力面?zhèn)犬a(chǎn)生一個(gè)小渦流,這在OH55及OH-55結(jié)構(gòu)中也有體現(xiàn),不同的是OH55出流方向?yàn)殚g隙入口方向,在層泄漏流的切削作用下產(chǎn)生流動(dòng)分離,部分回流至冷卻孔出口形成渦流,而OH-55在底層的內(nèi)循環(huán)流動(dòng)作用下流線大幅度偏轉(zhuǎn),回流產(chǎn)生壓力面?zhèn)蠕鰷u。

(a)RH0結(jié)構(gòu)(b)OH55結(jié)構(gòu)(c)OH-55結(jié)構(gòu)圖15 凹槽尾緣6號(hào)孔截面流線圖

2.2 葉頂整體絕熱氣膜冷卻效率

圖16展示了8種孔型在0.5、1.0、1.5三種吹風(fēng)比下的葉頂絕熱平均氣膜冷卻效率。從圖中可以發(fā)現(xiàn),橢圓冷卻孔在低吹風(fēng)比情況下有效提高了整體絕熱氣膜冷卻效率,無論是正、負(fù)偏轉(zhuǎn)角,0.5吹風(fēng)比下相對(duì)提高量都在1倍以上。無偏轉(zhuǎn)角的OH0工況僅在吹風(fēng)比為1.5時(shí)獲得的冷卻效率低于RH0工況,總體而言橢圓冷卻孔表現(xiàn)優(yōu)于圓形冷卻孔,低吹風(fēng)比工況下正偏轉(zhuǎn)角表現(xiàn)優(yōu)于負(fù)偏轉(zhuǎn)角。低負(fù)偏轉(zhuǎn)角OH-10、OH-20表現(xiàn)情況相近,而OH20表現(xiàn)優(yōu)于OH10。OH55在0.5吹風(fēng)比下極大地提高了絕熱氣膜冷卻效率,吹風(fēng)比提升至1.0后略有下降,而吹風(fēng)比為1.0時(shí)OH-55獲得的冷卻效率最高,吹風(fēng)比為1.5時(shí)OH55與OH-55表現(xiàn)相近。

圖16 葉頂絕熱平均氣膜冷卻效率

2.3 葉頂絕熱氣膜冷卻效率云圖

圖17橫向?qū)Ρ攘?種冷卻孔結(jié)構(gòu)在3種吹風(fēng)比下的葉頂絕熱平均氣膜冷卻效率云圖。隨著吹風(fēng)比的升高,高氣膜冷卻效率區(qū)逐漸消失,氣膜分離現(xiàn)象較明顯,但氣膜冷卻覆蓋范圍增加,冷卻射流從集中在凹槽末端掠出葉頂間隙轉(zhuǎn)變?yōu)椴糠謿饬髀映鰠^(qū)域向前緣移動(dòng)。

圖17 3種吹風(fēng)比下的葉頂絕熱平均氣膜冷卻效率分布云圖

在圓孔與正偏轉(zhuǎn)角橢圓冷卻孔結(jié)構(gòu)中,中低吹風(fēng)比情況下主要冷卻區(qū)域?yàn)閴毫γ鎮(zhèn)?尤其是OH55結(jié)構(gòu),大偏轉(zhuǎn)角導(dǎo)流作用明顯,冷卻氣流貼緊葉頂,細(xì)長(zhǎng)不易發(fā)散;隨著吹風(fēng)比升高,葉頂中、后部橢圓冷卻孔的孔周出氣區(qū)域逐步壓縮,冷卻射流集中在橢圓長(zhǎng)軸邊緣出流,限制了高吹風(fēng)比下冷卻效率的提高,這也是OH0結(jié)構(gòu)在M=1.5時(shí)絕熱平均氣膜冷卻效率低于RH0結(jié)構(gòu)的原因。

冷卻孔反向偏轉(zhuǎn)角在高吹風(fēng)比(M=1.5)下冷卻范圍顯著增大,這是由于反偏轉(zhuǎn)角射流與內(nèi)循環(huán)底層氣流對(duì)沖發(fā)散導(dǎo)致,內(nèi)循環(huán)氣流壓迫冷卻射流貼附壁面回流,擴(kuò)大了冷卻范圍,在OH-55結(jié)構(gòu)中,冷卻氣流包覆了壓力面到中型線的大部分區(qū)域,甚至越過中型線包覆了一部分吸力面?zhèn)葏^(qū)域,故而獲得了較高平均冷卻效率。

對(duì)于OH-10、OH-20兩種結(jié)構(gòu),受限于小偏轉(zhuǎn)角,在低吹風(fēng)比下冷卻射流被內(nèi)循環(huán)流動(dòng)裹挾,強(qiáng)迫附著在壓力面?zhèn)冗M(jìn)行冷卻,射流動(dòng)量被反向偏轉(zhuǎn)角耗散,獲得的冷卻效率要低于OH10、OH20兩種結(jié)構(gòu)。

圖18展示了RH0、OH55、OH-55三種結(jié)構(gòu)在M=1.0時(shí)的葉頂傳熱系數(shù)分布云圖,三者在葉頂前緣均存在傳熱惡化區(qū)。這是由于泄漏流由葉片前緣進(jìn)入葉頂間隙后,形成的凹槽內(nèi)渦流周向尺度小于葉頂?shù)闹芟蜷L(zhǎng)度,從而導(dǎo)致泄漏流在吸力面?zhèn)雀街?形成沖擊區(qū),惡化了葉頂前緣傳熱。RHO與OH55兩者云圖分布相似,受凹槽內(nèi)渦流影響,兩者的低換熱系數(shù)區(qū)均分布在孔后區(qū)域及壓力面?zhèn)雀浇?冷卻氣流在凹槽內(nèi)產(chǎn)生堆積效應(yīng),最低換熱系數(shù)區(qū)域出現(xiàn)在了凹槽尾緣,其中OH55結(jié)構(gòu)由于存在正向傾角及高長(zhǎng)短軸比結(jié)構(gòu),使其孔后出流區(qū)域更廣,抑制換熱的效果更好。

圖18 葉頂傳熱系數(shù)分布云圖

2.4 葉頂傳熱系數(shù)分析

OH-55結(jié)構(gòu)將低傳熱系數(shù)區(qū)域擴(kuò)展至了中型線附近,但葉頂前緣的孔后低傳熱系數(shù)區(qū)域被破壞。這是由于反向偏轉(zhuǎn)角的存在制造了額外的渦流,使冷卻射流在中型線附近附著,凹槽中后部區(qū)域依靠前緣冷卻射流的堆積,在壓力面?zhèn)鹊街行途€的范圍內(nèi)都獲得了較低的換熱系數(shù),而葉頂前緣的冷卻出流受到凹槽內(nèi)渦流影響發(fā)生大范圍偏轉(zhuǎn),孔后區(qū)域受到渦流侵蝕發(fā)生了小幅度的傳熱惡化。

2.5 葉頂泄漏流量分析

由于冷卻射流流量?jī)H占泄漏流量的4%(RH0,M=1.0),在不改變?nèi)~頂整體結(jié)構(gòu)的前提下,相同吹風(fēng)比中孔型及傾角對(duì)整體泄漏流流量的影響有限,泄漏流的增減主要與葉頂冷卻流的流量有關(guān),冷卻流量的增加可以加強(qiáng)對(duì)泄漏流的阻塞作用。為直觀研究孔型及冷卻孔傾角的作用,并加入對(duì)冷卻孔流量的考量,在此處引入泄漏流相對(duì)減少率的概念。

泄漏流相對(duì)減少率定義為

(3)

式中:q∞代表葉柵主流流量;qL為泄漏流量;qC為冷卻射流流量;上標(biāo)0表示RH0結(jié)構(gòu)。該式代表泄漏流量占比的減少量與冷卻射流在主流占比的比值,當(dāng)兩者主流流量與冷卻流流量相等時(shí)可簡(jiǎn)化為

(4)

即為泄漏流的減少量在冷卻射流流量中的占比,當(dāng)此值為1時(shí)即代表泄漏流的減少量與起主要作用的冷卻射流流量相等。

圖19對(duì)比了泄漏流的相對(duì)減少率。由圖可知,OH55結(jié)構(gòu)下的泄漏流減少量最多,且隨著吹風(fēng)比的增加而升高,這是由于OH55冷卻孔出流設(shè)計(jì)朝向凹槽泄漏流入口,增強(qiáng)了冷卻射流在葉頂?shù)淖枞饔?OH10與OH20表現(xiàn)結(jié)果相似,相對(duì)減少率整體上隨著吹風(fēng)比增加而增加;OH-10與OH-20兩種結(jié)構(gòu)在吹風(fēng)比為1.5時(shí)表現(xiàn)結(jié)果弱于無偏轉(zhuǎn)角的OH0結(jié)構(gòu),且相對(duì)減少率隨著吹風(fēng)比增加而減小;OH-55表現(xiàn)效果最差,相對(duì)減少率為負(fù)值,代表其泄漏流流量相對(duì)于RH0結(jié)構(gòu)有所增加。從流線分析及泄漏流相對(duì)減少率的變化結(jié)果推導(dǎo)可知,冷卻射流的大幅度偏轉(zhuǎn)制造了額外的凹槽內(nèi)渦流,擴(kuò)大了冷卻覆蓋范圍但引入了額外的泄漏流。雖然在研究中這部分泄漏流量的改變量較小,但若是在實(shí)際應(yīng)用中加入了更多的冷卻孔并將整個(gè)葉輪上的葉片一并考量,獲得的泄漏流量的改變量將十分可觀。

圖19 泄漏流相對(duì)減少率對(duì)比

3 結(jié) 論

本文采用Ansys CFX軟件數(shù)值模擬了凹槽葉頂橢圓孔氣膜冷卻及冷卻孔徑向偏轉(zhuǎn)角的影響,對(duì)8種結(jié)構(gòu)在3種吹風(fēng)比下的葉頂冷卻效果及葉頂泄漏流量進(jìn)行了橫向?qū)Ρ?對(duì)3種典型結(jié)構(gòu)進(jìn)行了流線分析,獲得的結(jié)論如下。

(1)采用橢圓冷卻孔能有效提升低吹風(fēng)比下的葉頂冷卻性能,葉頂絕熱平均氣膜冷卻效率由RH0下的0.42%提升至了OH-20下的0.76%,最高達(dá)到了OH55下的2.1%;高吹風(fēng)下橢圓孔圓周出氣區(qū)域收縮,限制了冷卻性能的進(jìn)一步提升。

(2)正徑向偏轉(zhuǎn)角射流細(xì)長(zhǎng)不易發(fā)散,主要冷卻區(qū)域?yàn)閴毫γ鎮(zhèn)葏^(qū)域,低吹風(fēng)比下能獲得較高的葉頂平均氣膜冷卻效率。中高吹風(fēng)比下反徑向偏轉(zhuǎn)角射流能突破內(nèi)循環(huán)渦的底層流動(dòng),擴(kuò)展了氣膜冷卻覆蓋范圍,在大偏轉(zhuǎn)角情況下葉頂絕熱平均氣膜冷卻效率能與正徑向偏轉(zhuǎn)角相當(dāng),甚至超過正偏轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu),但流線的大幅度偏轉(zhuǎn)令凹槽前緣冷卻孔的孔后位置發(fā)生了小幅度的傳熱惡化。

(3)反徑向偏轉(zhuǎn)角射流在大吹風(fēng)比下流動(dòng)發(fā)生大幅度偏轉(zhuǎn),產(chǎn)生了凹槽內(nèi)渦流,有助于擴(kuò)大葉頂氣膜冷卻范圍,但較大的反向偏轉(zhuǎn)角會(huì)引入額外的泄漏流,泄漏流相對(duì)增長(zhǎng)率達(dá)到了16.6%。正徑向偏轉(zhuǎn)角出流設(shè)計(jì)指向葉頂壓力面?zhèn)刃孤┝魅肟?提高了葉頂氣膜冷卻起到的阻塞作用,減少了葉頂泄漏流量,泄漏流相對(duì)減少率最高達(dá)到了11.4%。