短周期风洞叶栅端壁换热试验研究
发布时间：2020-04-14
摘要实验对短周期风洞中无气膜孔和带气膜孔时涡轮叶片端壁的换热做了实验研究，得出了无气膜孔端壁换热系数和叶栅入口雷诺数、出口马赫数之间的变化关系。另外得出了带气膜孔端壁在不同的叶栅入口雷诺数、出口马赫数、流量比时对换热系数的影响。实验结果表明：无气膜孔端壁上的换热系数分别在不同的叶栅入口雷诺数和出口马赫数下有着明显的变化;带气膜孔端壁上换热系数随流量比和叶栅入口雷诺数的增大而增大，而在低流量比时马赫数对端壁换热系数没有明显的影响。
关键词短周期风洞叶栅端壁换热系数
随着涡轮前进口温度的进一步提高，涡轮叶片的换热问题受到了越来越多的重视。无论是导叶还是转子叶片，国内外学者在叶片本身的冷却方面做了卓有成效的工作。然而在叶根端壁附近，流动十分复杂，也带来了端壁换热的复杂性。并且由于燃气温度的进一步提高，更加增强了这种复杂性。出现在端壁附近的二次流和通道涡、马蹄涡和角涡等涡系使得这一区域的流动呈现出强烈的三维特性…。端壁主流和二次流间的相互作用使端壁附近的流动状况和换热规律变的格外的复杂。Friedfichs等对前缘和通道中开有多排气膜孔的冷却效率和气动问题进行了研究，发现二次流对端壁气膜冷却有很大的影响作用，压力面附近难以进行有效的冷却，气膜孔内的气动损失占叶栅总损失的主要部分，并指出前缘冷却比通道中冷却的气动损失小得多。
文献[4-_7]对端壁上的三维复杂的流动做了详细研究分析。另外运用数值模拟的方法对端壁上的流动和马蹄涡做了形象的的模拟分析研究，得出了端壁附近的二次流和通道涡、马蹄涡和角涡等涡系在端壁上的形成、变化和发展，指出压力面侧的马蹄涡分支演变成通道涡且向吸力面侧马蹄涡分支靠近，吸力面侧马蹄涡分支围着通道涡盘绕而不是黏附在吸力面上，旋涡还把人口边界层气流带向叶片的顶部。正是由于通道涡、马蹄涡和角涡等涡系的存在，使得这个区域的换热非常的复杂，端壁上的流动和换热有着密切的关系。另外加之端壁上非常薄边界层、复杂的二次流动以及这个区域非常大的传热变化率，给对端壁上换热的测量研究带来了很大的困难。他们将端壁上的流动和换热结合起来进行数值模拟研究，形象地显示出了端壁上的流动和换热的关系及变化。通过这些研究使得对端壁上的换热和流动关系有了更加准确和详细的认识。
文献[8—12]中对不带气膜孔时端壁上的换热强度及冷效做了实验研究，并且对端壁上给定位置分布不同型气膜孔和槽时端壁上冷效和换热也做了实验研究，得出了在端壁上增加气膜孔和槽在不同的人口条件时对端壁的换热和冷效的影响，以及不同孔型对端壁气膜冷却效率强度的变化。对端壁在带有这种气膜孔型对端壁冷却作用有了深刻的认识。
鉴于此，本文对端壁在有、无气膜孔情况下，端壁上的换热进行详细的实验研究。实验的目的是对无气膜孔端壁上的换热和叶栅入口、出口马赫数的关系进行试验研究，以及带气膜孔端壁换热与流量比、叶栅入口雷诺数之间的关系进行实验研究。
1试验装置及试验方法
1.1实验装置
本文所进行的端壁实验是采用短周期跨声速叶栅传热风洞，可进行无气膜孔和有气膜孔的换热试验研究。图1为风洞试验的原理图。试验段上游装有大开角扩散段和稳压舱，用于保证进入试验段气流的均匀性。叶栅雷诺数和马赫数通过保证叶栅进、出口压力来实现，叶栅进、出口压力通过上游的手动节流阀、下游的手动蝶阀和引射器共同调节。风洞的实验状态是通过一台工控机监视和控制的。
实验段通道由8个直叶片组成，实验中间2个叶片为实验叶片。实验端壁采用快速成型工艺加工，所用材料为GPPlus，叶身部分及下端壁为钢制叶片，栅距为87.5mm，是根据真实叶片上端壁处叶型放大而成。端壁换热实验是在端壁表面布置了35路直径为0.2mm的热电偶，热电偶的引线镶嵌到端壁的表面并经精心处理使其不干扰叶片外部的流场。图2为布置热电偶和气膜孔端壁的叶片图和其在试验段排列示意图。图3给出了端壁上气膜孔和热电偶的位置分布图。
1.2试验方法
在实际的涡轮叶栅中，主流温度高于壁面温度，热量传入壁面，但在短周期跨音速叶栅瞬态传热实验风洞中要对大流量的主流进行加热是非常困难和昂贵的，在带气膜孔端壁实验时本实验采用了反向热流的方法，即对冷气进行加热，热流从壁面传向主流。只要保证流场结构与实际情况相似，这样得到的换热规律也是相似的。本文用冷气加热法进行型面气膜冷却效率实验。叶片端壁上有直径为0.2mm的镍铬-镍硅热电偶测量当地温度。
实验之前引一股加热气流从实验段下方通到实验段内给叶片端壁加热，气流温度通过可调功率的电加热器控制，其加热功率的调节是通过接触调压器对电加热器两端电压的调节而实现的，加热过程中叶片端壁温度由测试系统监控，待叶片端壁温度稳定后即可进行实验。
3试验结果与分析
3.1无气膜孑L端壁换热试验结果
本实验主要研究了进口雷诺数和出口马赫数对端壁传热分布的影响。实验叶栅进口雷诺数的范围为4.0×10～8.0X10，出口马赫数Ma的范围为0.37～1.10。各图上面给出了实验原本要求的马赫数值，但是由于实验难度和实际情况，很难做到与要求马赫数完全一直，所以图中给出了实际试验工况的马赫数和雷诺数，同样可以说明实验结果。
图4(a)～(C)分别给出了马赫Ma=0.37、0.71和1.10时入口雷诺数船对端壁面换热系数的影响，横坐标为热电偶测点。由于在重复试验中改变了雷诺数很难保证试验是在完全相同的马赫数下进行，但是马赫数的变化很小(图中给出了相应的马赫数值)，可以认为是在马赫数相同的状态下进行的重复实验。从上图可得出：在相同的出口马赫数下，端壁上的换热系数随着叶栅入口雷诺数的增加而增大，并且端壁上的换热系数的总体分布趋势没有变化。
图5(a)～(c)为叶栅入口雷诺数Re=4.0×10、6.0×10和8.0×10隋况下出口马赫数对端壁换热系数分布的影响。各图上面给出了实验要求工况的雷诺数值，但是由于实验难度和实际情况，很难做到与要求雷诺数完全一致，图中给出了实际试验工况的马赫数和雷诺数，同样可以说明实验结果。从图中可以看出在叶栅人口雷诺数Re=4.0X10和8.0×10隋况下，改变出口马赫数，端壁上的换热系数变化不明显，但在叶栅入口雷诺数Re=6.0×10时，出口马赫数增大端壁的换热系数反而减小。
3.2带气膜孔端壁换热试验结果
图6所示为实验对带气膜孔端壁在马赫数Ma=0.71、1.1O，流量比MR=1.53%时，不同雷诺数对端壁的换热系数的影响。
从上得出，在相同的马赫数和流量比的情况下，叶栅人口雷诺数越大，带气膜端壁上的换热系数明显增大，个别点的偏差是由于试验误差造成的。
图7所示为二次流和主流的流量比对端壁换热系数的影响情况，图7中也给出了在相同的雷诺数和马赫数下无气膜端壁的换热系数分布情况，以作对比。从图得出，在相同的叶栅人口雷诺数和出口马赫数的情况下，流量比越大，在端壁布有气膜孔区域及下游(测点8—18，237)的换热系数有着明显的增大，而在测点19_23之间这一区域端壁的换热系数增加不是很明显，这主要是由于接近尾缘处通道涡和马蹄涡复杂的流动特性的影响。在离气膜孔较远的上游区域则端壁的换热系数没有变化。另外从图中对比可以看出，带气膜端壁区域换热系数比无气膜端壁相同区域的换热系数要大。
4结论
通过以上对端壁的实验研究，我们得出以下结论：
1)进口雷诺数是决定无气膜端壁上换热系数的主要因素。在一定的入口马赫数下，端壁的换热系数随着雷诺数的增大而增大。
2)在雷诺数Re=4.0×10和8.0×10的情况下，马赫数对无气膜端壁的换热系数几乎没影响，但在Re=6.0x10时，马赫数减小端壁换热系数反而增大。
3)对带气膜孔端壁，在相同的雷诺数和马赫数下，流量比越大端壁带气膜区域的换热系数也越大，其他区域换热则没有明显的变化。
4)带气膜孔端壁在相同的马赫数和流量比的情况下，雷诺数对端壁的换热也有很大的影响，进口雷诺数越大端壁的换热系数也越大。
短周期风洞叶栅端壁换热试验研究相关期刊推荐：《科学技术与工程》是中国科协主管，中国技术经济学会主办，主要内容包括科学技术发展前景和重大建设工程进展情况，科学技术与工程方面的新成果、新知识、科技界和工程界的热点问题等。适合科技工作者、工程技术专家、领导同志、管理干部和图书资料馆(室)订阅。
