可调涡轮导叶压力面上跨区域冷却剂再分配与气膜冷却叠加的实验与数值研究

《International Journal of Thermal Sciences》：Experimental and numerical studies of cross-regional coolant redistribution and film cooling superposition on pressure side of an adjustable turbine guide vane

　　摘要可调导向叶片的热防护对于变几何涡轮的高效运行至关重要。转角的变化会改变通道气动特性，从而影响气膜孔排间的冷却剂分配以及压力面冷却气膜之间的相互作用。本研究将稳态压敏漆（PSP）测量与数值模拟相结合，研究转角、冷却剂质量流量比和密度比对压力面气膜冷却性能的影响。结果表明，转角的减小使叶片通道收缩，改变了驱动冷却剂出流的局部压差，导致不同区域的冷却剂重新分配，并加剧了弦向中段气膜孔排之间的冷却剂供给竞争。在研究的三个冷却剂质量流量比下，面积平均气膜冷却效率分别下降了7.06%、6.05%和4.69%，主要原因是近壁冷却剂层变薄以及冷却剂向下游快速耗散。将密度比从1.0提高到1.5增强了冷却剂在壁面的附着，使面积平均气膜冷却效率和冷却均匀性分别提高了9.64%和14.99%。此外，前缘气膜冷却与压力面气膜冷却之间的相互作用改善了近壁冷却剂覆盖，并促进了下游气膜发展。与单独压力面气膜冷却相比，前缘-压力面联合构型使面积平均气膜冷却效率提高了12.2%，并将相对标准偏差降低了40%以上。这些发现阐明了变几何条件下冷却剂重新分配的控制机制，并为可调涡轮导向叶片的热防护设计提供了指导。引言为满足现代航空日益严格的效率和排放标准，下一代推进系统需要具备卓越的运行灵活性[1]，[2]。变循环发动机（VCE）通过动态调节循环参数来满足这一需求，从而在整个飞行包线内保持最佳性能。这种适应性的核心归功于变几何涡轮（VGT），它通过调节有效喉部面积来控制质量流量[3]，[4]。在各种VGT设计中，可调涡轮导向叶片（ATGV）因其结构坚固和控制范围宽而成为主导构型[5]。尽管具有这些优势，ATGV仍面临严峻的热载荷，冷却不足可能导致材料退化甚至失效[6]，[7]。气膜冷却仍然是保护这些部件最广泛采用且最有效的技术，通过形成稳定的保护性热层来实现[8]，[9]，[10]。然而，ATGV的气动环境比固定叶片构型复杂得多；转角的连续变化会重新分布表面压力场并改变三维流动结构，因此有必要系统研究变几何条件下的气膜冷却机制。气膜冷却已被广泛研究，其影响因素大致分为几何参数[11]和气动参数[12]。在几何参数方面，以往研究考察了气膜孔几何形状[13]，[14]，[15]，包括成型孔和扩散孔构型对射流-主气流相互作用的影响[16]，[17]，[18]。在气动参数方面，吹风比[19]，[20]和密度比[21]，[22]被广泛认为是控制气膜冷却性能的关键因素。尽管这些研究提供了重要基础，但压力面仍面临独特的物理挑战。压力面具有强流向加速和凹曲率特征，产生有利压力梯度[23]，[24]，[25]，[26]和复杂的离心不稳定性[27]，[28]，[29]。这些效应与通道涡共同作用，显著改变了冷却射流的附着行为和横向扩散[30]，[31]，[32]，[33]。然而，大多数现有模型假设静态几何，导致在理解这些压力面机制如何随叶片转角变化而演化方面存在关键空白[34]，[35]。近期研究考察了可调涡轮导向叶片不同区域的气膜冷却特性。例如，文献[36]研究了端壁气膜冷却，而我们之前的研究涉及前缘气膜冷却和前缘驻点线迁移[37]，以及转角对吸力面气膜冷却的影响[38]。然而，由于收敛通道内独特的气动环境，压力面冷却机制与前缘和吸力面不同。特别是，转角调整如何改变不同气膜孔区域之间的冷却剂供给竞争，以及由此产生的冷却剂重新分配如何影响压力面气膜发展及其与前缘冷却剂的相互作用，目前尚不清楚。基于上述考虑，本文利用稳态压敏漆（PSP）测量和数值模拟研究了ATGV的压力面气膜冷却特性。系统评估了转角、相对质量流量比和密度比对气膜冷却效率和冷却均匀性的影响。此外，还分析了不同气膜孔区域之间的冷却剂分配以及前缘和压力面气膜冷却剂之间的叠加效应。重点在于阐明转角引起的冷却剂供给竞争如何控制跨区域冷却剂重新分配以及随后压力面气膜的发展。这些发现为变几何条件下可调涡轮导向叶片的气膜冷却设计提供了见解。章节片段实验系统图1展示了实验装置，包括主气流供给系统、冷却剂供给系统和测试系统（见图2）。主气流系统包括鼓风机、冷却塔和稳压腔。鼓风机提供主气流，其流量通过变频控制器调节。气流经过一系列弯管输送到冷却塔，然后进入稳压腔，使流场稳定。皮托管数值边界条件建立了一个三维数值模型来再现带有气膜冷却的可调导向叶片周围的流动和气膜冷却环境。图7显示了计算域，包括主气流通道和冷却剂腔。主气流入口沿轴向延伸以获得充分发展的入流，出口位置足够靠后以避免背压效应。对测试导向叶片和相邻通道进行了建模以捕捉流动结构。气动环境与压力分布转角（θ）改变了通道几何形状和驱动冷却剂出流的压力边界条件。θ的变化重塑了收敛-扩散通道和压力面气动场，同时也改变了前后冷却剂腔中的压力水平。本节量化了这些耦合变化，为后面讨论的冷却剂重新分配和冷却特性建立气动基础（见图10）。图10（a）展示了通道面积结论本研究结合压敏漆（PSP）测量和数值模拟，定量评估了转角（θ）、相对质量流量比（MFRr）和密度比（DR）对可调导向叶片压力面气膜冷却性能的影响。首先在仅压力面冷却条件下考察了气膜孔排间的冷却剂分配以及相关的气膜附着行为。前缘驻点气膜注入对CRediT作者贡献声明Helong Jin：写作——原稿，方法学，概念化。Xiaohui Bai：写作——审阅与编辑，数据管理。Chengao Duan：写作——审阅与编辑，方法学。Zhongyao Zhang：写作——审阅与编辑，验证。Cunliang Liu：写作——审阅与编辑，概念化。利益冲突声明作者声明，他们不存在已知的竞争性经济利益或个人关系，这些关系可能影响本文所报告的工作。致谢作者感谢燃气轮机项目科学中心（P2022-B-Ⅱ-026-001）的资助。Helong Jin|Xiaohui Bai|Chengao Duan|Zhongyao Zhang|Cunliang Liu