振动平板单孔气膜冷却实验研究

高　媛，　葛利顺，　王宏光，　韩铁鹰

(1．上海理工大学 能源与动力工程学院，上海 200093；2.上海市动力工程多相流动与传热重点实验室,上海 200093;3．中电投珠海横琴热电有限公司，广东珠海 519031)



振动平板单孔气膜冷却实验研究

高媛1,2，葛利顺1,2，王宏光1,2，韩铁鹰3

(1．上海理工大学 能源与动力工程学院，上海 200093；2.上海市动力工程多相流动与传热重点实验室,上海 200093;3．中电投珠海横琴热电有限公司，广东珠海 519031)

基于高温风洞实验台，采用红外热成像技术和机械振动机构对振动平板单孔气膜冷却特性进行了实验研究.测量吹风比在0.4～1.8范围内，静态以及振动状态下的气膜冷却效果，并分析了振幅(0～5 mm)和频率(0～20 Hz)等因素对气膜冷却效果的影响.结果表明：振动会削弱气膜冷却效果；与频率相比，振幅对气膜冷却效果的影响更大；随着吹风比的增大，同一振动对气膜冷却效果的影响变小；频率不同的振动对气膜冷却效果的影响相近，在X/D=5～10内，平均有效温比降低约3%；振幅不同的振动对气膜冷却效果的影响是相近的，在X/D=5～10内，平均有效温比降低约5%.

气膜冷却； 振动； 气膜有效温比； 频率； 实验研究

气膜冷却是一种应用广泛的冷却技术，通过在高温部件表面开设小孔，将冷却介质通过小孔以横向射流形式注入主流中，在主流的压迫作用下，射流弯曲并覆盖于高温部件表面，形成一个低温气膜，从而对高温部件起到隔热和冷却作用[1].透平叶片采用气膜冷却后，可以提高透平进口燃气温度，从而提高机组热效率，增大比功.通常影响气膜冷却效果的因素有：气膜孔的气动参数、气膜孔的几何参数、叶片的几何参数和其他因素[2-5].Burdet等[6]研究了近气膜孔出口的压力脉动对平板气膜冷却的影响.透平叶片气膜冷却喷射流脉动是由近气膜孔出口处的压力脉动造成的，而压力脉动是由动静转子相互作用引起的.经实验发现气膜孔出口附近压力的脉动会影响吹风比，进而影响喷射流下游气膜冷却的效果.Babaee等[7]采用随机配置吹风比-直接数值模拟的方法研究了不稳定吹风比对平板气膜冷却效率的影响.McClintic等[8]研究了内部横向流对复合角度气膜冷却绝热有效度的影响，结果显示带有横向流的绝热有效度明显比一般静态的值大.

振动能够强化传热，各国学者对振动强化传热这一问题进行了大量的研究[9-11].林宗虎等[12]系统总结了振动强化传热问题的研究结果，表明换热表面的振动可以将自然对流的传热系数增大30%～2 000%，可以使强制对流的传热系数增大20%～400%.王一平等[13]对平板在振动条件下的传热性能进行了实验研究，分析了低速流体交错流过振动平板(冷热气体在平板两侧交错流动)时的传热性能，结果显示振动能够提高换热板的传热系数，与静态平板相比，其传热效率随冷热气体进口温差的增大变化趋向平缓；相比于频率，振幅对传热效果的影响更大.

燃气轮机透平动叶片由金属材料制成，在静叶尾迹、气流冲击和转子不平衡等多种因素的激励下，其工作时处于振动状态.透平动叶片振动会强化传热，因此研究叶片振动对透平动叶片冷却的影响是叶片冷却技术研究中值得关注的问题，对完善叶片冷却设计有参考价值.

由于透平动叶片是在高温、高速的燃气流动环境中工作，现有的实验条件无法建立这样的燃气流动环境；实际叶片的振动频率很高(一阶频率在几百到几千赫兹)，也给测量带来了困难；实际叶片表面形状复杂，影响其冷却效果的因素很多.笔者将实际振动叶片多排孔气膜冷却简化为振动平板单孔气膜冷却，在现有实验条件的气流温度、气流速度、频率和振幅等参数下研究振动对平板气膜冷却的影响.

1　实验装置

1.1实验风洞

图1为气膜冷却实验台示意图.实验在具有排气能量回收利用功能的风洞中进行，该风洞为开路、直流吹风式高温低速风洞，由气-气换热器、电加热器、扩散段、蜂窝器、稳定段、收缩段以及连接通道等组成.

由离心式鼓风机9提供流量可控的压缩空气进入到气-气换热器10，利用排气余热预热，然后进入电加热器11，被加热的空气进入风洞12，流经扩散段、蜂窝器，然后进入稳压段及收缩段，速度稳定后进入到实验段.冷气由螺杆式空气压缩机1提供，流经储气罐2、冷干机3和空气滤清器4后，由气体流量计5控制冷气流量.从实验段流出的气体再进入气-气换热器10预热，最后流入烟囱14中完成一个循环.

1—螺杆式空气压缩机；2—储气罐；3—冷干机；4—空气滤清器；5—气体流量计；6—机械振动机构；7—转速仪；8—红外热像仪；9—离心式鼓风机；10—气-气换热器；11—电加热器；12—风洞；13—电子控制装置；14—烟囱.

图1气膜冷却实验台示意图

Fig.1Experimental system for measurement of film cooling effectiveness

1.2实验段与机械振动机构

实验段为一长方形通道，长×宽×高为400 mm×100 mm×60 mm，由厚度为5 mm的不锈钢钢板焊接加工而成.实验通道在距离进口端70 mm处的上下端面各开一个82 mm×130 mm大小的窗口，上端面窗口为红外透射窗口，下端面窗口用于安装振动平板.

红外透射窗口是一块镶嵌有直径为50 mm的蓝宝石玻璃的不锈钢板.实验时，红外热像仪通过该蓝宝石玻璃窗口采集气膜孔周围的温度数据.

振动平板放在实验段下端面窗口上，振动平板下方连接机械振动机构6，可使振动平板以设定的振幅及频率上下振动.振动平板由不锈钢材料制成，厚度为5 mm，中心线上钻有一个直径D=4 mm、朝主流方向倾斜35°的射流孔，在孔的下方焊有一内径为6 mm、外径为10 mm的不锈钢钢管，供冷气导入.振动平板下方焊有一块T形支撑钢板，用以传递来自电机的动力，使平板上下振动.振动平板上方需喷涂一层耐高温、发射率为0.95的黑色哑光漆，以便更好地进行温度测量.在振动平板的下方以及实验段通道的外部喷涂一层耐高温隔热保温涂料，涂完保温涂料后再在外部包裹一层绝热石棉，以便对振动平板下方进行有效绝热.在振动平板下方气膜孔前12 mm、孔后8 mm和40 mm中心线上打沉孔并布置3个热电偶(如图2所示)，用以标定红外热像仪.

图2　标定热电偶的位置Fig.2　Positioning and calibration of thermocouples

机械振动机构主要由直流电机、调速器、可调偏心距的圆盘、振动杆、直线轴承和支撑架等组成，实验段简图如图3所示.

图3　实验段简图Fig.3　Schematic diagram of the test section

2　实验测量

实验主要测量位置在断面a-a和断面b-b处，如图1所示.断面a-a处主要由气体流量计来测量和控制冷却气体的流量和温度，断面b-b处由皮托管测量和计算主流速度并通过调节鼓风机的运转频率来控制主流速度，断面b-b处采用铠装热电偶来测量主流温度，通过调节加热器控制主流温度.

振动平板表面温度测量设备为日本NEC公司所生产的TH5104R红外热像仪，设备的工作波段为3～5.3 μm，测量温度范围为-10～800 °C，温度分辨率为0.1 K，测量精度为±1.0%.通过红外热像仪可以测得振动平板上的二维温度分布.

射流流量由美国Alicat科技有限公司生产的型号为ALIMAN16C的单向气体流量计进行控制，量程为50 L/min，精度为±0.8%×读数±0.2%×满量程.

测量主流温度的热电偶采用上海美凯友迪仪表有限公司生产的型号为WRNK-233的铠装热电偶(K分度号)，热电偶的材质为镍铬-镍硅，测量范围为0～800 ℃.若在5 min之内热电偶读数的波动幅度小于±0.2 K，则认为系统温度达到稳定；主流温度稳定在463 K.

用来标定红外热像仪的热电偶型号为WRN-104，K分度号，测量范围为0～1 000 ℃.图4给出了红外热像仪的标定曲线.从图4可以看出，红外热像仪显示的温度略低于热电偶测得的温度.出现这种现象的原因是红外热像仪在测量过程中会受到振动平板表面发射率、反射率、红外玻璃透射率和大气环境等多种因素的影响.

图4　红外热像仪标定曲线Fig.4　Calibration curves of the infrared thermography

通过电子控制设备调节离心式鼓风机的输入电流频率，控制其叶片旋转速度，进而控制输入风量即主流流量；通过直流电机调速器控制直流电机转速，进而控制振动平板的频率；通过调节偏心圆盘的偏心距来调节振动平板的振幅.

3　实验结果处理与分析

气膜有效温比η定义为

(1)

式中：T∞为主流温度；Tw为绝热壁温；Tj为冷却射流温度.

吹风比λ定义为冷却射流与主流气体的密流之比

(2)

式中：ρj为冷却射流密度；uj为冷却射流速度；ρ∞为主流气体密度；u∞为主流气体速度.

笔者以射流孔中心为采集数据的坐标原点O，定义沿主流流动方向为X坐标方向，在振动平板所在平面且垂直于X坐标方向的为Z坐标方向，垂直于振动平板所在平面的为Y坐标方向.D为射流孔直径.

3.1频率对气膜有效温比的影响

在振动平板振幅相同的条件下进行不同频率的实验，实验工况如表1所示.

表1　不同转速实验工况

图5为静态及不同频率下瞬态气膜孔周围温度分布的红外热像图.从图5不难发现，相比静态，振动情况下的冷却气流对气膜孔周围壁面的冷却范围有所减小；频率对气膜孔周围壁面的冷却效果影响相差不大.振动能够强化冷热气体之间的传热传质，使得冷却气体与主流气体之间的传热传质增强，因此在振动平板振动时，冷却气流对气膜孔周围壁面的冷却效果下降.

图6为静态及不同频率下沿主流方向气膜孔中心线上的气膜有效温比曲线.由图6可知，振动情况下的气膜有效温比低于静态情况下的气膜有效温比；在本实验的频率范围内，不同频率的振动对气膜有效温比的影响值相差小于5‰；振动条件下的气膜有效温比曲线较静态时并没有很大差异，曲线的变化趋势一致.在X/D=5处(X/D为主流气体流动方向坐标值与射流孔直径之比)，振动时的气膜有效温比较静态时降低3.2%左右；在X/D=10处，振动时的气膜有效温比较静态时降低3.1%左右.

开发任何一种信息管理系统对运行环境都有一定的要求。在开发时，开发人员选择系统开发的工具，往往也会影响到开发本系统进度的快慢。有时，一个很不适合的开发工具，在程序调试时，会花费大量的人力。下面从开发本设计模块时用到的软件进行简单介绍。

3.2振幅对气膜有效温比及温度的影响

在振动平板频率相同的条件下，进行不同振幅

(a) 静态

(b) f=3.33 Hz

(c) f=10.00 Hz

(d) f=16.67 Hz图5　静态及不同频率下的红外热像图

Fig.5Infrared thermal images at steady state and different frequencies of vibration

图6　静态及不同频率下的气膜有效温比曲线

Fig.6Curves of effective temperature ratio at steady state and different frequencies of vibration

下的冷却实验，实验工况如表2所示.图7为静态及不同振幅下气膜孔周围温度分布的红外热像图.由图7可知，振动情况下的冷却气流对气膜孔周围的冷却范围有所减小，且不同振幅下的冷却气流对气膜孔周围壁面的冷却效果相差不大.不同振幅的振动对气膜孔周围壁面冷却效果类似于不同频率振动的冷却效果.

表2不同振幅实验工况

Tab.2Experimental conditions at different amplitudes of vibration

振幅/mm频率/Hz吹风比主流温度/K射流温度/K主流质量流量/(g·s-1)射流质量流量/(g·s-1)1101.0463295.31213.9040.4482101.0463294.89213.9040.4483101.0463295.38213.9040.4484101.0463295.37213.9040.4485101.0463295.42213.9040.448

(a) 静态

(b) A=1 mm

(c) A=3 mm

(d) A=5 mm图7　静态及不同振幅下的红外热像图

Fig.7Infrared thermal images at steady state and different amplitudes of vibration

图8为静态及不同振幅条件下沿主流方向气膜孔中心线上的气膜有效温比曲线.由图8可知，振动情况下的气膜有效温比低于静态时的气膜有效温比，且不同振幅的振动对气膜有效温比的影响相近.不同振幅振动的气膜有效温比曲线较静态时没有发生很大波动，曲线变化趋势大致相同.在X/D=5处，振动时的气膜有效温比较静态时降低4.8%左右；在X/D=10处，振动时的气膜有效温比较静态时降低5.1%左右.

图8　静态及不同振幅下的气膜有效温比曲线

Fig.8Curves of effective temperature ratio at steady state and different amplitudes of vibration

通过比较可以发现，振幅较频率对气膜有效温比的影响更大.在本实验的频率及振幅范围内，频率对气膜有效温比的影响在3%左右；振幅对气膜有效温比的影响在5%左右.

3.3振动对不同吹风比下气膜有效温比及温度的影响

在振动平板的频率和振幅不变的条件下，进行不同吹风比下的气膜冷却实验，实验工况参数如表3所示.

表3　不同吹风比下气膜冷却实验工况

图9为不同吹风比下静态与振动时沿主流方向气膜孔中心线上的气膜有效温比曲线图.从图9可以看出，振动时的气膜有效温比低于静态时的气膜有效温比，且随着吹风比的增大，振动对气膜有效温比的影响变小.这是由于低吹风比时，从气膜孔射出的冷却气流距离冷却壁面近，振动对冷热气流热量的交换影响更大，使得壁面冷却效果下降更显著；反之，高吹风比时，壁面的冷却效果下降不明显.吹风比λ=0.4时，在X/D=5处，振动时的气膜有效温比较静态时低约9.0%，在X/D=10处，振动时的气膜有效温比较静态时低约10.0%；吹风比λ=1.8时，在X/D=5处，振动时的气膜有效温比较静态时低约3.7%，在X/D=10处，振动时的气膜有效温比较静态时低约3.9%.

图10为静态与振动条件下垂直于主流方向气膜孔中心线的气膜有效温比曲线.从图10可以看出，振动并没有破坏该方向气膜孔中心线上气膜有效温比曲线的“单驼峰”结构，但是对应“单驼峰”的最高值降低了，并且“单驼峰”的锥度变大，即气膜有效温比较静态时的变化更为平缓.吹风比λ=0.4时，在Z/D=0处(Z/D为垂直于主流流动方向的坐标值与射流孔直径之比)，振动时的气膜有效温比较静态时低约16.7%；吹风比λ=1.8时，在Z/D=0处，振动时的气膜有效温比较静态时低约8.5%.

(a) λ=0.4

(b) λ=0.6

(c) λ=0.8

(d) λ=1.0

(e) λ=1.5

(f) λ=1.8图9　各吹风比下静态与振动时的气膜有效温比Fig.9　Effective temperature ratio at steady-state and vibrating conditions with different blow ratios

(a) 静态

(b) 振动图10　垂直于主流方向静态与振动时的气膜有效温比曲线Fig.10　Steady-state and vibrating effectiveness in the direction perpendicular to main flow

4　结　论

(1) 不同振动频率下,振动时的气膜有效温比曲线较静态时没有发生很大的波动，曲线的变化趋势一致.在X/D=5处，振动时的气膜有效温比较静态时降低3.2%左右；在X/D=10处，振动时的气膜有效温比较静态时降低3.1%左右.

(2) 不同振幅振动条件下的气膜有效温比曲线较静态时没有发生很大波动，曲线变化趋势大致相同.在X/D=5处，振动时的气膜有效温比较静态时降低4.8%左右；在X/D=10处，振动时的气膜有效温比较静态时降低5.1%左右.

(3) 在本实验频率与振幅范围内，振幅较频率对气膜有效温比的影响更大.频率对气膜有效温比的影响在3%左右；振幅对气膜有效温比的影响在5%左右.

(4) 随着吹风比的增大，振动对气膜有效温比的影响变小.

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Experimental Study on Single-hole Film Cooling Effectiveness over Vibrating Plates

GAOYuan1,2,GELishun1,2,WANGHongguang1,2,HANTieying3

(1. School of Energy and Power Engineering, University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093, China; 2. Shanghai Key Laboratory of Multiphase Flow and Heat Transfer in Power Engineering, Shanghai 200093, China; 3. CPI Zhuhai Hengqin Thermal Power Co., Ltd., Zhuhai 519031, Guangdong Province, China)

Experimental study on single-hole film cooling characteristics over vibrating plates was conducted in a high-temperature wind tunnel test setup using infrared thermography and mechanical vibration mechanism, so as to measure the film cooling effectiveness under steady-state and vibrating conditions with the blow ratio in 0.4-1.8, and to analyze the effects of amplitude (0-5 mm) and frequency (0-20 Hz) on the cooling effectiveness. Results show that the film cooling effectiveness is weakened by vibration, which is also affected more by amplitude than by frequency; with the rise of blow ratio, the influence of vibration reduces on film cooling effectiveness; the curves of mean effective temperature ratio respectively at varying vibration frequences and amplitudes are similar to that in steady-state conditions, and their data would be reduced by 3% and 5% accordingly in the case ofX/D=5-10.

film cooling; vibration; effective temperature ratio of film; frequency; experimental study

2015-06-23

2015-12-09

上海市科委科研计划资助项目(13DZ2260900)

高媛(1992-)，女，江苏南京人，硕士研究生，主要从事气膜冷却、并联管组等方面的研究.电话(Tel.):18818261956；

E-mail：ge-li-shun@163.com.

1674-7607(2016)09-0704-07

TK229

A学科分类号：470.30