Film cooling characteristics of squealer tip of a turbine blade

Fangfang WU; Weijiang XU; Cunliang LIU; Jingyin SHI; Zeyu YU

doi:10.1051/jnwpu/20244220278

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Volume 42 / No 2 (April 2024)

JNWPU, 42 2 (2024) 278-285

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Issue		JNWPU Volume 42, Number 2, April 2024


Page(s)		278 - 285
DOI		https://doi.org/10.1051/jnwpu/20244220278
Published online		30 May 2024

JNWPU 2024, 42(2): 278–285

Film cooling characteristics of squealer tip of a turbine blade

凹槽叶顶的气膜冷却特性

Fangfang WU (吴芳芳), Weijiang XU (许卫疆), Cunliang LIU (刘存良), Jingyin SHI (史经垠) and Zeyu YU (余泽宇)

School of Power and Energy, Northwestern Polytechnical University, Xi'an 710072, China

Received: 23 April 2023

Abstract

The high-speed and high-temperature gap leakage flow in the turbine blade tip clearance directly scours the tip of the rotor blade and generates a local high-temperature region, so the active and passive control of the gap leakage flow is very important. Based on the pressure sensitive paint (PSP) experiment, the effects of density ratio, blowing ratio, and clearance height on the film cooling characteristics of the squealer blade tip were studied. The results show that with the increase of the density ratio, the film-cooling effectiveness of the squealer blade tip gradually increases, especially in the large clearance height, and the average cooling effect of the blade tip is increased by 35%. The effect of tip clearance height and blowing ratio on the tip surface cooling effect is not single. Under the condition of small tip clearance, the tip surface film-cooling effectiveness increases with the increase of the blowing ratio. Under the condition of large tip clearance, the tip surface film-cooling effectiveness decreases first and then increases with the increase of blowing ratio. At the same time, when the blowing ratio is small, the increase in tip clearance height improves the tip trailing edge area and the film-cooling effectiveness around the holes, and the average cooling effect of the blade tip surface increases by 6.85 %.

摘要

涡轮工作时, 叶顶间隙内高速高温的间隙泄露流会直接冲刷动叶顶部, 产生局部高温区域, 因此控制间隙泄露流至关重要。基于压敏漆涂料(PSP)实验, 研究了密度比、吹风比和间隙高度对凹槽叶顶气膜冷却特性的影响。研究结果表明: 密度比增大, 凹槽叶顶气膜冷却效果逐渐提高, 尤其是大间隙下冷效提高较为明显, 叶顶面平均冷效增加了35%;间隙高度和吹风比对叶顶表面冷效的作用不是单一的, 小间隙条件下, 叶顶表面气膜冷效随着吹风比增大而增大, 大间隙条件下, 吹风比的增加使得叶顶表面气膜冷效先减小后增加, 同时小吹风比时, 间隙高度增加提高了叶顶尾缘区域和孔周围的气膜冷效, 叶顶面平均冷效提高了6.85%。

Key words: squealer tip of a turbine blade / clearance height / blowing ratio / density ratio / film-cooling effectiveness

关键字 : 凹槽叶顶 / 间隙高度 / 吹风比 / 密度比 / 气膜冷效

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航空发动机中, 涡轮叶片直接受到高温燃气的冲刷, 温度超过了目前耐温材料的极限, 这使得叶片的寿命大大减少, 其中叶顶冷却条件较差, 使得叶顶换热温度分布不均, 因此叶顶的冷却结构至关重要。

目前, 国内外学者对动叶顶部换热系数分布进行了大量研究。Newton等[1]通过实验结合数值研究了3种叶顶结构的换热系数分布, 结果表明在间隙泄露流再附着区出现了最高的换热系数。Yang和Azad等[2-3]对平面叶顶的换热分布进行了详细研究, 研究结果表明: 在叶顶中弦区域靠近压力面侧有高换热区, 在靠近叶顶前缘区域有低换热区。杜昆、Metzger和Naik等[4-6]对凹槽叶顶的换热特性进行了数值研究, 结果表明在叶顶中弦区域靠近吸力面侧肩壁附近存在最大的换热系数。

对叶顶表面高换热区采取冷气喷射方式可以有效降低叶顶温度, 以此减小叶顶表面热负荷。Newton等[1]研究了在分离泡区域和泄露流再附着区布置气膜孔对平叶顶表面冷却的影响, 研究结果表明: 2种冷却方式均可以有效降低叶顶表面的换热温度。杜昆等[4]数值模拟了机匣和叶片相对运动时, 无气膜孔和在叶顶中弧线布置气膜孔的流动换热特性, 结果表明气膜孔增强了前缘处气膜冷却效果。Jeong等[7]通过实验研究了平面叶顶和全凹槽叶顶的气膜冷却效率, 实验结果表明: 全凹槽叶顶的气膜冷却效率比平面叶顶高。Kwak等[8]通过实验研究了间隙高度和吹风比对叶顶气膜冷却效率的影响, 实验结果表明: 吹风比和间隙高度的增加均会提高气膜冷效。韩昌等[9]对密度比、吹风比和间隙高度多参数影响下的全封闭凹槽叶顶气膜冷却特性进行研究, 研究结果表明冷却射流呈现往压力面覆盖并向尾缘形成累积效应的趋势。Ahn等[10]通过实验研究了冷气喷射方式对叶顶气膜冷效的影响。黄琰等[11]通过数值对比实验结果, 分析了气膜孔分布对凹槽叶顶冷却特性的影响, 结果表明: 在靠近压力面处注入冷气可以提高凹槽底部压力面侧的冷却效果。王维杰等[12]通过数值研究尾切凹槽叶顶的冷却特性发现: 尾切凹槽叶顶可以提升腔底的冷却效率。杨蓓洁等[13]通过数值模拟发现, 在叶顶增加肋结构可以有效提高叶顶平均气膜冷效效率。于金杏等[14]对发动机运行工况下凹槽叶顶的冷却特性进行了数值模拟, 模拟结果表明增大吹风比会提高叶顶气膜冷却效率。叶明亮等[15]数值研究了不同隔板位置对凹槽叶顶冷却性能的影响, 结果表明相比于传统凹槽叶顶, 双凹槽叶顶的气膜冷却效率显著提高。郭嘉杰等[16]数值模拟了椭圆孔对凹槽叶顶气膜冷效的影响, 结果表明: 低吹风比时, 椭圆孔可以有效提高平均气膜冷却效率, 高吹风比时, 椭圆孔会限制冷却性能的提升。

针对叶顶, 国内外学者已经展开了大量研究, 并且提出了多种冷却结构, 但是冷气难以贴附壁面, 叶顶冷却效率一直处于较低水平的问题始终存在。为了理清各因素对叶顶冷却的影响, 以便后续更好地冷却叶顶, 本文基于压敏漆涂料(PSP)技术, 综合研究了密度比、吹风比和间隙高度对全凹槽叶顶气膜冷却效率的影响, 主要分析了吹风比和间隙高度对叶顶气膜冷效的非线性影响。

1 实验方案

1.1 实验系统

实验系统图如图 1所示, 主流为空气, 经过稳压腔、整流器和收缩段后进入实验段, 最后直接排入大气, 在实验段通道入口处布有毕托管和热电偶测点, 可以测得来流的流速和温度。二次流采用空气、氮气、二氧化碳以及混合气体(15%六氟化硫+85%氩气)模拟不同密度比, 二次流进气温度由进气管道上的热电偶测得, 质量流量由艾里卡特流量计控制。

实验段采用单叶片双通道平面叶栅, 实验叶片的叶顶结构如图 2所示, 基于相似理论将实验通道与实验叶片均放大3.5倍, 从前缘至尾缘的3个除尘孔直径分别为2.8, 3.5和2.8 mm, 实验叶片内部由叶片内腔室供气。实验叶片的详细几何参数如表 1所示。

图1

实验系统图

图2

实验叶片的叶顶结构图

表1

叶片几何参数

1.2 实验参数与实验工况

主流进口雷诺数定义为

式中: ι_d为叶片的轴向弦长; ρ_g, υ_g和μ_g为主流密度、流速和动力黏度。

叶顶间隙定义为

式中: ι为叶顶间隙高度; H为叶片高度。

密度比定义为

式中: ρ_c为二次流气体密度; ρ_∞为主流气体密度。

吹风比定义为

式中: u_c为二次流速度；u_g为主流速度。

气膜冷却效率定义为

式中: T_g和T_c为主流和二次流温度; T_aw为换热温度

本文研究了间隙高度、吹风比以及密度比对带除尘孔全凹槽叶顶冷却特性的影响。表 2给出了详细的实验工况。

表2

实验工况表

1.3 压敏漆测量技术

压敏漆测量技术是基于传热传质类比原理测量空气氧分压并与涂料光强结合得到气膜冷却效率的一项技术。图 3展示了气膜冷气射流壁面传热边界条件和传质边界条件, 由图可知2个过程存在着物理机理相似和数学关系相似, 当传质传热比拟理论成立时, 传质过程可以模拟传热过程, 此时PSP技术理论成立。

对于纯气体以及混合气体, 基于热量传递过程中的涡旋扩散率与质量传递过程中的涡旋扩散率比值等于1的假设, 可以得出气膜冷却效率与壁面附近中氧气质量浓度的关系式, 得到的气膜冷却效率可表示为

式中：C_∞和C_c为主流和二次流氧气质量分数; C_aw为主流二次流掺混后的叶顶表面氧气质量分数。本文在使用PSP技术测量绝热气膜冷效实验中, 主流的工质是空气, 二次流的工质是异性气体, 通过公式(6), 基于外部气体传质类比将壁面附近氧气的质量分数与绝热气膜冷却效率相关联, 寻求一种基于氧分压的等效表达式来表达PSP的质量传递过程。

陈大为等[17-18]用压敏漆测量技术进行了涡轮叶片表面气膜冷却效率的实验研究, 并验证了压敏漆测量技术的可靠性。本实验所用压敏漆技术的测量方式、标定过程以及后处理方式与文献[17]均相同, 因此本文不再对压敏漆技术进行重复验证, 更多关于压敏漆测量方法可靠性验证的内容见文献[17]。

在大多数实验中, 所需测量的参数Y不能直接通过实验测得。通常在实验直接测量参数(X₁, X₂, X₃, ……)与所需测量的参数Y之间存在一个确定的函数关系。假设直接测量参数(X₁, X₂, X₃, ……)与所需测量参数Y之间的函数关系为Y=f(X₁, X₂, …, X_n), 则系统误差传递公式[19]可以定义为

随机误差传递公式为

通常认为系统误差已通过测量方法、测量系统、测量环境的保证而消除, 因此, 被测量参数的不确定度主要由随机误差确定。

在文献[20-22]中, 详细介绍了多种PSP测量气膜冷却效率的不确定度的估计方法, 本文参照文献[20]的方法对气膜冷却效率实验的不确定度进行估计。基于传热传质类比推导得到的气膜冷却效率表达式, 可以简化为 , 其中, 。

根据误差传递公式(8)计算气膜冷却效率的不确定度为

在PSP实验中, P_{O₂, F_g+Air}和P_{O₂, Air}使用的标定曲线相同, 其相对不确定度的值也相同[20], 因此, 将(9)的表达式简化为

等式两侧同时除以η得到气膜冷却效率的相对不确定度的表达式:

在本文的实验中, 氧分分压比的相对不确定度最大值为1%。代入(11)式可以得到不同气膜冷却效率条件下, 测量结果的相对不确定度, 计算结果如表 3所示。分析表 3数据, 可以看出: 在应用PSP实验测量气膜冷却效率时, 气膜冷却效率越大, 结果的不确定度越小。

图3

气膜冷气射流壁面传质与传热边界条件和过程示意图

表3

不确定度分析

2 结果与讨论

2.1 密度比对凹槽叶顶气膜冷却效率的影响

图 4给出了叶顶间隙高度为1%和2%下3种密度比为1.0, 1.5, 2.0的凹槽叶顶气膜冷却效率分布云图, 吹风比为0.25%。图 4a)中可以看出, 间隙高度为1%时, 在叶顶3个除尘孔周围有高气膜冷效区域, 尾缘部分有低气膜冷效气膜区域, 冷气覆盖范围呈现多向吸力面侧覆盖, 少量向压力面侧覆盖。这是因为冷气垂直射入叶顶间隙和间隙泄露流发生撞击, 冷气由于动量较小, 很难被泄露流压覆回叶顶表面, 只有少量冷气被压覆回叶顶表面压力面侧, 而大部分冷气被泄露流直接带出吸力面侧, 很难覆盖到除尘孔下游区域。随着密度比从1.0增加到2.0, 由于二次流出口动量减少, 被间隙泄露流吹离的趋势减弱, 冷气覆盖叶顶表面的区域增多, 因此孔周围及冷气覆盖的吸力面侧气膜冷却效率呈现增强趋势。图 4b)~4c)是在间隙高度为2%和3%时3种密度比下的凹槽叶顶气膜冷效分布云图。可以看出相比于图 4a), 虽然吹风比相同但此时间隙泄露流增强, 抑制了冷气射入叶顶间隙, 更多冷气贴附壁面流动, 在这2个叶顶间隙高度下, 密度比对叶顶表面气膜冷效的影响更为显著。

叶顶表面展向平均气膜冷效沿弦长的分布曲线如图 5所示。从图中可以看出3个除尘孔对应3个波峰的位置, 波谷对应着除尘孔间的区域, 孔周围具有高冷效区域, 孔间的冷效低于孔周围, 叶顶尾缘和前缘冷效较低, 这是因为泄露流的压覆作用难以使冷气覆盖叶顶尾缘和孔上游。间隙高度为1%时, 密度比增大, 孔周围以及接近尾缘两孔间的气膜冷效都有所提升。叶顶尾缘的气膜冷效一直处于较低状态, 这主要是因为密度比的增加使得冷气出口动量降低, 更多冷气会贴壁面流动, 孔周围及孔间的气膜冷效会有所增加, 但冷气迅速流散, 难以扩散至叶顶尾缘区域, 对尾缘区域的冷效并没有改善作用。相比于间隙高度1%, 间隙高度2%和3%时, 除了孔周围的冷效提升, 除尘孔中间和叶顶尾缘的冷效更是有了明显提升。对比整个叶顶表面冷效提高效果发现：间隙高度1%时, 叶顶面平均冷效只提高了0.01;间隙高度2%和3%时, 叶片面平均冷效均有35%的提高。以此可以看出间隙高度越大, 密度比对叶顶表面的冷效影响越大。

图4

不同密度比和间隙高度凹槽叶顶气膜冷效云图

图5

不同密度比下的展向平均气膜冷效图

2.2 吹风比对凹槽叶顶气膜冷却效率的影响

图 6给出了不同间隙高度下3种吹风比的凹槽叶顶气膜冷效分布云图, 密度比为2.0。从图 6b)~6c)中可以看出, 叶顶间隙为2%和3%时, 吹风比从0.25%增加至0.5%, 孔附近的气膜覆盖范围大大减小, 只剩孔出口周围一圈。这是因为此时冷气动量增大, 大部分冷气会从除尘孔垂直射出后直接进入间隙泄露流并且随之流走, 同时冷气出口处的贴壁面效应减弱, 难以覆盖孔上下游区域, 而少量进入泄露流的冷气会被压覆回叶顶表面压力面侧。吹风比继续增加至0.75%时, 叶顶表面的气膜覆盖范围大大增加, 但尾缘部分的气膜冷效相较于0.25%会明显减少, 这主要是因为冷气动量持续增加, 穿过泄露流和机匣相碰撞并反射回叶顶表面, 增加了叶顶中弦部分的气膜冷效。但是图 6a)所示的规律并不与上述情况类似, 这主要是因为相比于2%和3%叶顶间隙, 1%的间隙泄露流强度较弱, 动量比在0.5%时冷气就已经可穿透间隙泄露流了, 所以此时叶顶表面的气膜冷效呈现随着吹风比增大而增大的趋势。

图 7给出了不同吹风比下的叶顶展向平均气膜冷效沿弦向的分布图。从图 7可以看出间隙高度为1%时, 吹风比增加, 叶顶表面整体的气膜冷效均增加, 叶顶前缘和尾缘的低冷效区都有很大提升。这主要是因为冷气动量大于泄露流强度, 穿过泄露流和机匣碰撞反射回叶顶表面, 冷气覆盖至叶顶尾缘。间隙高度为2%和3%时, 出流增大, 叶顶表面整体的气膜冷效呈现先减少后增加的趋势。这主要是因为0.5%吹风比时冷气射入泄露流, 并随之流出间隙, 而吹风比0.75%时冷气的再附着效应提高了凹槽表面的气膜冷效, 但随着吹风比增大到0.75%, 叶顶尾缘区域的冷效还是低于吹风比0.25%。

图6

不同吹风比和间隙高度凹槽叶顶气膜冷效云图

图7

不同吹风比下的展向平均气膜冷效图

2.3 间隙高度对凹槽叶顶气膜冷却效率的影响

图 8给出了凹槽叶顶3D流线分布, 图 8a)~8b)分别表示叶顶间隙高度1%和3%条件下的流线分布。图中吹风比为0.25%。叶顶前缘区域部分泄露流直接从叶片吸力面进入叶顶间隙内, 其后区域泄露流从叶顶的压力面侧进入叶顶间隙并从叶顶吸力面侧离开。泄露流离开叶顶后会在叶片吸力侧形成一个泄露涡, 泄露涡沿流向不断增大并在靠近叶片尾缘区域处从叶片吸力面上脱离。在叶顶间隙高度为1%时, 泄露流强度大小和冷气法向动量大小之间没有较大差距, 此时有部分冷气从气膜孔出来直接射入泄露流中并随泄露流离开叶顶间隙。这是因为叶顶间隙高度较小, 二次流沿法向的动量较大, 致使这部分冷气来不及受泄露流压覆作用重新贴附在叶顶表面附近区域，但还有部分冷气会被泄露流压覆在叶顶凹槽内并向孔下游覆盖, 最终从叶片吸力面侧流出叶顶间隙并且汇入泄露涡中。与叶顶间隙高度1%相比, 叶顶间隙高度3%极大增加了叶顶间隙内泄露流的流量和强度, 于是可以看到, 靠近叶片前缘的孔1流出的冷气有一部分被压覆在凹槽内并向叶顶中弦区域流动, 中弦区域孔2和孔3之间泄露流的压覆效果也明显增加。随着叶顶间隙高度增加, 吸力面侧泄漏涡的强度和大小明显增加, 而且泄漏涡的脱离提前发生在靠近叶片中弦区域处。

不同间隙高度条件下的凹槽叶顶气膜冷效分布云图如图 6所示, 在0.25%吹风比时, 间隙高度从1%增加到2%, 尾缘的气膜覆盖范围大大增加。这是因为泄露流增强, 更多冷气被压回凹槽并向尾缘区域扩散。孔间和孔下游区域的气膜冷效有明显提高, 泄露流的再附着效应使得更多冷气向叶顶压力面侧流动。间隙高度继续增加至3%时, 可以看到虽然泄露流继续增强, 但是降低了叶顶尾缘区域的气膜冷效。这是因为冷气和泄露流的夹角过大, 泄露流的再附着效应也难以使气膜覆盖范围增加。在吹风比为0.5%和0.75%时, 间隙高度增加时, 孔附近的气膜冷效明显减小, 这是因为泄露流逐渐增强, 冷气无法穿过泄露流, 而是进入泄露流并与之流出叶顶间隙。

图 9给出了不同间隙高度下叶顶展向平均气膜冷效沿弦向的分布图。可以看到吹风比为0.25%时, 间隙高度增加, 叶顶中弦部分和尾缘的气膜冷效有明显提高, 而叶顶前缘冷效改变不大。这主要是因为泄露流增强, 更多冷气被压覆回叶顶壁面并向孔下游流动, 叶顶前缘气膜冷效并无明显改变是因为冷气很难流动至孔上游。吹风比为0.5%和0.75%时, 可以看到间隙高度的增加降低了叶顶表面整体的气膜冷效。这主要是因为泄露流的增强, 更多冷气被泄露流直接带出叶顶间隙, 孔周围的高冷效区域也无法得到有效冷却。综合叶顶表面整体冷效来看, 吹风比为0.5%和0.75%时, 随着叶顶间隙高度增加, 叶顶面平均冷效均呈下降趋势, 分别减少了19.6%和37.48%;吹风比为0.25%时, 间隙高度从1%增加至2%, 叶顶面平均冷效提高了6.85%, 继续增加至3%, 叶顶面平均冷效降低了2.7%。

图8

不同间隙高度下凹槽叶顶3D流线分布图

图9

不同间隙高度下的展向平均气膜冷效图

3 结论

本文采用压敏漆技术测试了不同密度比(1.0, 1.5和2.0)、吹风比(0.25%, 0.5%和0.75%)和间隙高度(1%, 2%和3%)下凹槽叶顶的气膜冷效分布, 结果分析表明:

1) 密度比越大, 冷气的动量越小, 冷气吹离效应越弱, 更多冷气会贴附壁面流动, 增加气膜覆盖范围, 提高叶顶表面的气膜冷却效率, 而且大间隙高度时提高程度更加明显, 叶顶面平均冷效增加了35%。

2) 小间隙条件下, 随着吹风比逐渐增加, 叶顶表面整体气膜冷效呈现一直增加的趋势; 但大间隙条件下, 间隙泄露流逐渐增强会把一部分冷气直接带走, 减少了叶顶表面的气膜覆盖效果, 而冷气出口动量持续增加至吹风比为0.75%时冷气会穿过泄露流碰撞机匣产生冷气再附着效应, 提高凹槽叶顶表面气膜冷效。

3) 小吹风比时, 冷气动量较小, 间隙高度从1%增加至2%时, 间隙泄露流压覆作用增强, 提高了叶顶尾缘和孔周围的气膜冷效, 叶顶面平均冷效提高了6.85%。

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All Tables

叶片几何参数

实验工况表

不确定度分析

All Figures

	图1 实验系统图
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	图2 实验叶片的叶顶结构图
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	图3 气膜冷气射流壁面传质与传热边界条件和过程示意图
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	图4 不同密度比和间隙高度凹槽叶顶气膜冷效云图
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	图5 不同密度比下的展向平均气膜冷效图
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	图6 不同吹风比和间隙高度凹槽叶顶气膜冷效云图
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	图7 不同吹风比下的展向平均气膜冷效图
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	图8 不同间隙高度下凹槽叶顶3D流线分布图
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	图9 不同间隙高度下的展向平均气膜冷效图
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