叶片前腔高阻塞比肋化通道换热特性实验研究

王培枭，孙瑞嘉，钟滨涛，李 杰，杨卫华

(1.南京航空航天大学 能源与动力学院， 南京 210016；2.中国航发湖南动力机械研究所， 湖南 株洲 412002)

随着航空发动机涡轮前进口温度的提高，涡轮叶片承受的热负荷愈来愈高，亟需采取有效的冷却措施对叶片进行热防护。在气冷叶片内部采用肋化通道是强化叶片内部冷却气流与壁面对流换热的主要方式[1]，但如何合理地设计粗糙肋的结构形式以获得最优的强化换热效果，最大程度地吸收高温燃气传递给叶片的热量，降低叶片表面的温度，是肋化通道设计中的关键问题。在叶片内冷通道中，前腔对应着叶片前缘位置，直接面对高温燃气的冲击，最易发生叶片烧蚀，因此研究前腔肋化通道的对流换热特性尤为重要。

目前，国内外学者针对几何参数对肋化通道流动换热的影响开展了大量研究[2-6]。Boudjemaa等[7]借助数值模拟研究了二维带肋通道中第1个肋的宽度变化对换热特性的影响。Le等[8]研究发现，保持肋间距不变，随着肋宽的增加，流体再附着于通道表面的现象逐渐消失，换热系数逐渐减小，但肋宽增加时摩阻系数更低。Liu等[9]研究了肋间距对45°肋回转通道的换热和压力损失的影响，结果发现：由于斜肋所诱导的二次流加剧了肋间气流的循环，导致在肋间距最小时换热性能最好，同时压力损失随着肋间距的增大先升高后降低。孙岳[10]研究发现：对于矩形通道，在Re=20 000时，随着通道宽高比的增加，整体换热性能增强。Lau等[11]研究发现：V形肋的换热和流阻特性均优于平行布置的粗糙肋，而间断V形肋的效果又比V形肋的效果要好。王德强等[12]实验研究了直肋、斜肋、V肋和W肋的流动换热特性，并采用瞬态液晶技术得到了W肋的局部换热分布，实验结果表明：W肋的综合热性能最优，直肋的综合热性能最差。Taslim等[13]研究结果发现：肋倒角的存在使通道平均换热系数有所减小，但是摩擦阻力也随之降低。Chandra等[14]研究了方形通道中带肋壁面个数对通道换热和流阻特性的影响，结果表明：随着带肋壁面数量的逐一增加，换热得以强化，同时流阻系数显著增加，并且阻力的增幅远大于换热系数的增幅。Gao等[15]研究了肋排布形式对双路肋化通道换热性能的影响。张洪等[16]针对U形方通道，研究了肋倾斜角对前后缘面以及内外侧面换热特性的影响。在此基础上，崔欣超等[17]发现：改变温度比会使通道内空气物性和气流浮升力发生改变，温度比的提高会削弱通道内的换热。

然而大部分研究所涉及的阻塞比均不超过0.1，而对于涡轴发动机等中小型航空发动机，阻塞比一般在0.15以上，较低阻塞比的研究结果无法直接应用于高阻塞比肋化通道的设计中。目前，专门针对高阻塞比肋化通道的相关研究报道还较为少见。Yang和周明轩等[18-19]设计了0.2和0.33两种高阻塞比的肋化通道，实验研究了阻塞比、间距比和肋排布形式对通道换热和流阻特性的影响。Casarsa等[20]借助PIV技术测量了高阻塞比肋化通道的湍流流场特征。上述研究对高阻塞比肋化通道的流动和换热特性做出了有益的探索，但研究还不够充分。另外，大部分研究者采用的肋化通道截面形状为矩形或梯形[21]，这与叶片前腔的截面形状相差较大，其他涉及整体叶片内腔的换热实验一般将前腔简化为三角形或四边形[22-23]，这必然造成前缘区域的换热特性出现较大的误差。因此，在保证涡轮叶片前腔通道几何特征的基础上，开展高阻塞比肋化通道的流动换热特性研究是十分必要的。

本文设计了典型叶片前腔肋化通道，研究了进气Re数、肋高、肋间距、肋倒角等参数对前腔肋化通道内表面有肋侧、无肋侧和前缘等不同区域换热特性的影响。研究结果可为涡轮叶片内冷通道的设计提供一定的参考。

1 实验系统及实验件

实验系统和实验段如图1、2所示，空气由压缩机出来之后首先进入稳压罐，待气流稳定后依次通过阀门和质量流量计(精度为 1%)，最后进入实验段，气流流经实验段之后直接排入大气。

在实验段的进口和出口均布置有压力探针和直径1 mm的K型铠装热电偶，并分别与压力扫描阀和温度巡检仪相连，用以采集气流的进出口压力和温度。

图1 实验系统示意图

图2 实验段示意图

实验段的待测表面使用厚度为30 mm的胶木板加工而成，以保证其壁面处于绝热状态，在其上粘贴厚度为0.02 mm的康铜加热膜，并在加热膜表面均匀喷涂哑光黑漆，使其表面发射率为0.96，将加热膜与直流稳压电源相连以获得均匀稳定的表面热流。

实验通道上表面开设有红外窗口，在窗口中安装5 mm厚的红外玻璃，使用MAG32型红外热像仪(精度为2%)拍摄加热膜表面的温度分布。

图3、4分别为实验通道的三维图和横截面形状，通道内表面主要分为有肋侧、无肋侧和前缘3个区域，上下有肋侧表面交错布置有90°横肋，其中下表面横肋等厚度延伸至前缘。红外窗口开设在上表面有肋侧，其表面由红外玻璃构成，实验待测表面包括前缘区域、无肋侧以及下表面的有肋侧。

图3 通道示意图

图4 通道横截面形状

横肋几何参数如图5和表1所示。实验前，将横肋按照固定位置分别粘贴在加热膜和红外玻璃表面。为了避免上下交错布置的横肋对肋间区域产生遮挡，使用3台完全相同的红外热像仪分别从3个不同的角度进行拍摄，以获得全面完整的温度分布，如图2所示。另外，有肋侧、无肋侧和前缘在周向上的跨度较大，红外热像仪无法一次拍摄到所有表面，因此实验针对3个区域分别进行测量，测量视角和测量区域如图4所示，其中在前缘区域，由于壁面过度弯曲，红外热像仪只能拍摄到靠近下表面有肋侧的约3/4的表面。在单独测量每个区域时，镜头视线与表面法向夹角控制在60 ℃以内，以保证表面发射率近似不变。

图5 横肋几何参数

Ree/dr/ew/p5 000～50 0000.04～0.320.1～0.50.04～0.16

2 实验数据处理

肋化通道进口雷诺数为

(1)

式中：ρ、u、μ分别为通道入口气流密度、平均速度和动力黏度；d为通道水力直径。

肋化通道对流换热系数为

(2)

(3)

式中：Q=UI=81.9 W为加热膜的加热热流；Qloss为加热膜的热损失；A为加热膜面积；Tw和Tin分别为加热膜表面温度和通道入口气流温度；λ为气流的导热系数。

在实验过程中，由于胶木板不可能完全绝热，加热膜的一部分热量会通过胶木板散失到周围环境中，散失的热量应当与胶木板外表面和周围空气之间的对流换热量相等。实验段水平放置，胶木板外侧向下，根据传热学知识可知，此时胶木板外侧与周围空气的换热属于热面向下的大空间自然对流换热[24]，其换热系数为

(4)

其中格拉晓夫数

(5)

普朗特数

(6)

由式(4)～(6)可得加热膜热损失

Qloss=hAp(Tw′-T∞)

(7)

量纲为一对流换热系数为

(8)

式中Nu0为光滑管道湍流强制对流换热经验关联式。

3 红外测温标定

为了准确获得待测表面温度，减小红外测温误差，实验结束后，使用热电阻对红外测温进行标定。

在不通气流、保持红外热像仪位置等因素均不变的情况下，在有肋侧、无肋侧和前缘的加热膜上各粘贴6个热电阻，用以测量加热膜的真实温度。通过调节加热膜两端电压，可以使其表面温度稳定在不同的量值，且确保该温度变化范围覆盖实验实际测量范围，待加热膜温度稳定时，同时记录对应位置热电阻和红外热像仪所测的温度值。最后，针对有肋侧、无肋侧和前缘3个不同区域，分别对红外测温进行标定，使用最小二乘法拟合得到的标定公式如下：

有肋侧

T=1.036 1t-0.976 8

(9)

无肋侧

T=1.107 6t-3.093 9

(10)

前缘

T=1.054 3t-1.476 4

(11)

根据误差传递公式[25]，在实验研究参数范围内对流换热系数的最大相对误差为±9.5%。

4 实验结果及分析

4.1 沿程对流换热系数分布

图6为标准结构中有肋侧、无肋侧和前缘的展向平均Nu沿流向的分布曲线，其中X/d表示当前位置距通道入口的流向距离X相对于通道水力直径d的量纲为一距离。

图6 沿流向的展向平均Nu分布(e/d=0.2,r/e=0.1,w/p=0.1)

实验段上、下有肋侧各布置有6根横肋，下表面有肋侧的横肋中截面对应的量纲为一距离分别为2、4、6、8、10、12，图中一共包含5个肋间距。

可以看出，有肋侧、无肋侧和前缘的展向平均Nu均随着进口Re的增加而显著提升，这是因为进口Re增加时，气流流速增大，与壁面之间的换热增强。同时，3个区域的展向平均Nu在流向上大致呈周期性分布，且变化趋势并不随Re的增大而改变，这表明肋化通道中5个肋间距内的流动状态大致相似，并且当流量增大时流动状态基本不变。

图7 肋化通道流场

具体分析3个区域。以第3个肋间距为例，对于有肋侧，由于横肋的存在，对气流产生扰动，破坏了流体的边界层，使气流在肋后依次出现流动的分离和再附着现象，如图7所示。在紧靠肋后的分离区域，由于分离涡的存在，流体与壁面之间的热交换能力较弱，壁面温度最高，换热系数最小。随后，在再附着区域，由于流体的惯性，再加上壁面交错肋的作用，使流体产生斜向下的俯冲速度，加剧了对壁面的冲刷作用，使再附着区域温度最低，对流换热系数最大。再往后，流体的边界层开始发展并逐渐增厚，与壁面之间的热交换能力逐渐减弱，对流换热系数逐渐下降。最后，气流冲击到下一条横肋的迎风面，使肋根附近的换热略有增强。因此，有肋侧的换热系数在一个完整的周期内呈现先增大后减小，再略有增大的趋势，前缘的变化趋势与有肋侧类似。

对于无肋侧，展向平均Nu在前半个周期内较大，在后半个周期内较小。这是因为前腔通道横截面左右为非对称结构，且下壁面横肋在右侧等厚度延伸至前缘，在此横截面上，左边无肋侧表面附近的流动空间与右边前缘相比明显较大，且不存在横肋的阻碍，流体流动的阻力较小，因此当流体流过该截面时，更倾向于从左边通过。这种阻碍作用在流线图上表现为流线的偏向，如图8所示，当流体越过下表面横肋时，由于前缘区域横肋的阻碍，导致流线由前缘向无肋侧偏移，这使得肋后无肋侧附近的流动速度较大，流体与壁面之间的换热较强，对流换热系数较高。沿流向往后，上壁面的横肋并没有延伸至前缘，这使得右侧前缘区域的流动阻力减小，上述阻碍效应有所减弱，因此在上壁面肋后，无肋侧的换热系数又有所降低。

4.2 阻塞比e/d对无量纲对流换热系数的影响

图9为Re不同时，有肋侧、无肋侧和前缘的Nu/Nu0随阻塞比e/d的变化。可以看出：在Re不变时，Nu/Nu0均随阻塞比e/d的增大而单调增加，且这种趋势不随Re的变化而改变。下面单独以Re=30 000时为例进行分析，如图10所示。

图8 三维流场

图9 阻塞比e/d对Nu/Nu0的影响(r/e=0.1,w/p=0.1)

图10 阻塞比e/d对Nu/Nu0的影响(Re=30 000,r/e=0.1,w/p=0.1)

随着阻塞比e/d的增大，横肋对流体的扰动作用加剧，流体与通道壁面之间的换热增强，靠近壁面附近的较高温度流体与通道中心区域的掺混增强，因此有肋侧、无肋侧和前缘的Nu/Nu0均随阻塞比e/d的增大而显著增大，且阻塞比e/d越大，增大的幅度越明显。但是阻塞比不同时，3个区域Nu/Nu0之间的量值大小并不相同。具体分析如下：当阻塞比e/d<0.2时，由于有肋侧和前缘横肋的存在，有效地强化了流体与壁面之间的换热，且有肋侧的流动空间相对较大，对流体的阻碍作用较小，因此有肋侧的Nu/Nu0最大，前缘次之，无肋侧最低；当阻塞比e/d增大到0.2时，前缘区域横肋的存在对流动的阻碍作用开始彰显，并随着阻塞比的增大而愈加显著，使得前缘的Nu/Nu0开始低于无肋侧且差距愈来愈大；随着阻塞比继续增加，有肋侧和无肋侧Nu/Nu0的增加幅度明显加大，并且在阻塞比e/d=0.32时，无肋侧的Nu/Nu0反而超过有肋侧达到最大，这可能是因为阻塞比过大时，有肋侧肋后的分离区域增大，导致肋后的高温区域扩大，同时前缘对流体的阻碍作用加剧，使更多的流体倾向于由无肋侧附近通过，强化了流体与无肋侧表面的换热，这也与前缘Nu/Nu0的增加幅度下降的现象吻合。上述两个原因使得无肋侧的换热强化程度反而优于有肋侧。

4.3 肋倒角-肋高比r/e对量纲为一对流换热系数的影响

图11为肋倒角/肋高比r/e对有肋侧、无肋侧和前缘Nu/Nu0的影响。分析可知，有肋侧的Nu/Nu0随着r/e的增加而单调递减，这是因为r/e增大时，横肋的截面形状更趋近于流线型，对流动的扰动作用减弱，流体与壁面之间的热交换能力下降，Nu/Nu0有所减小。但是r/e的增大也在一定程度上减小了前缘区域横肋对流动的阻碍作用，因此前缘的Nu/Nu0在r/e刚开始增大时，先是略有上升，但幅度很小，之后随着r/e的继续增大，横肋对流体的扰动作用减弱明显，Nu/Nu0出现小幅下降。对于无肋侧，当r/e由0.1增大到0.4时，横肋对无肋侧附近流体的扰动作用减弱，通道形状变得相对光滑，流动的分离现象得以削弱，分离区域随之缩减，使得无肋侧表面的较高温度区域面积减小，换热有所增强，但是当r/e增大到0.5时，Nu/Nu0又略有下降，原因可能是此时前缘附近的流动阻力下降明显，反过来造成无肋侧附近的流动速度减小，换热能力下降。

图11 肋倒角-肋高比r/e对Nu/Nu0的影响(Re=30 000,e/d=0.2,w/p=0.1)

4.4 肋宽-肋间距比w/p对无量纲对流换热系数的影响

图12示出了肋宽/肋间距比w/p对有肋侧、无肋侧和前缘Nu/Nu0的影响。可以看到，随着w/p的增大，Nu/Nu0均呈现先增大后减小的变化趋势，这说明w/p过大或过小均不利于强化换热。分析原因如下：粗糙肋强化通道表面换热的原因主要在于肋会对气流产生扰动，使流体在肋后会出现分离和再附着现象，流体的再附着加剧了对壁面的冲刷，使流体与壁面之间的换热增强，壁面温度降低，对流换热系数增大。本文肋间距p均保持不变，当w/p为较大值(如0.16)时，肋宽增加，肋间光滑表面的流向距离减小，同时通道的有效流通面积相对来说有所下降，导致流体的再附着现象减弱甚至消失，流体与壁面之间的热交换能力下降，肋间光滑壁面的温度升高，对流换热系数较低；当w/p为较小值(如0.04)时，分离和再附着区域在流向上所占的比例较小，在再附着区域之后，流体边界层开始发展，边界层厚度逐渐增加，流体的换热能力逐渐下降，且这种流体横掠平板的对流换热现象在流动中占据主导作用，使得壁面的平均换热系数亦较低。综上可知，在实验参数范围内，w/p存在一个最优值，此时的换热强化比最高，但是有肋侧、无肋侧和前缘所对应的最优值并不相同。

图12 肋宽-肋间距比w/p对Nu/Nu0的影响(Re=30000,e/d=0.2,r/e=0.1)

5 结论

为了研究涡轮叶片前腔高阻塞比肋化通道的流动换热特性，采用实验的方法分别测量了前腔通道有肋侧、无肋侧和前缘3个区域的对流换热系数，研究了阻塞比、肋倒角-肋高比、肋宽-肋间距比以及进口Re等几何和流动参数对换热的影响，结果表明：

1) 有肋侧、无肋侧和前缘的展向平均对流换热系数在流向上大致呈周期性分布，且整体变化趋势不受Re的影响；

2) 随着进口Re的增加，通道的对流换热系数显著增大；

3) 在实验参数范围内，阻塞比的增加有利于通道的强化换热，且这种趋势不随进口Re的增大而改变；

4) 肋倒角-肋高比对换热的影响较小，当肋倒角-肋高比增大时，有肋侧的强化换热效果逐渐减弱，前缘和无肋侧则经历一个先稍有增强后略微减弱的过程，但变化幅度很小；

5) 肋宽-肋间距比过大或过小均不利于肋化通道的强化换热，存在一个最优的中间值使得换热强化比最高，但通道不同区域对应的最优值并不一致。