叶片前腔高阻塞比肋化通道换热特性实验研究

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。

文章来源：《地学前缘》 网址: http://www.dxqyzz.cn/qikandaodu/2021/0501/495.html