基于磁共振测速的复合冷却涡轮叶片流动分析

doi:10.7527/S1000-6893.2022.27920

航空发动机非定常流固热声耦合专栏

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基于磁共振测速的复合冷却涡轮叶片流动分析

赖佑奎¹(), 马海腾², 刘一粟², 欧阳华¹^,²()

^1.上海交通大学中英国际低碳学院，上海 200240
^2.上海交通大学机械与动力工程学院，上海 200240

收稿日期:2022-08-12 修回日期:2022-09-13 接受日期:2022-11-01 出版日期:2023-07-25 发布日期:2022-11-17
通讯作者: 赖佑奎,欧阳华 E-mail:oyh@sjtu.edu.cn
基金资助:
国家科技重大专项(2017-II-0007-0021)

Flow measurement and analysis of a turbine blade with multiple cooling structures based on magnetic resonance velocimetry

Youkui LAI¹(), Haiteng MA², Yisu LIU², Hua OUYANG¹^,²()

^1.China-UK Low Carbon College，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240，China
^2.School of Mechanical Engineering，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240，China

Received:2022-08-12 Revised:2022-09-13 Accepted:2022-11-01 Online:2023-07-25 Published:2022-11-17
Contact: Youkui LAI, Hua OUYANG E-mail:oyh@sjtu.edu.cn
Supported by:
National Science and Technology Major Project(2017-II-0007-0021)

摘要/Abstract

摘要：

针对传统光学测量技术难以完整地测量涡轮叶片复杂冷却结构内部三维流场的问题，采用磁共振测速（MRV）技术测量了一种复合冷却涡轮叶片内部的三维流场，并重点研究了叶片尾缘的流动特征。在通过MRV数据验证计算流体力学（CFD）准确性和可靠性的基础上，进一步通过CFD研究了全高、半高扰流柱对尾缘弦向出流的影响。结果表明，MRV成功地捕捉到了复合冷却涡轮叶片内部流动特征（如扰流柱和半劈缝处的漩涡结构等）。CFD与MRV数据在尾缘处有一致的出流趋势：气膜孔出流量沿展向逐渐减小，而半劈缝出流量沿展向逐渐增大。通过不同扰流柱设计的尾缘CFD对比发现，全高、半高扰流柱对尾缘流动的影响主要在于增大了流阻和出流的驱动压差，进而改变了出流情况，使得气膜孔整体出流量增大约2.8%，半劈缝整体出流量减小约2.8%。

关键词: 磁共振测速, 涡轮叶片内部流动, 复合冷却, 流场可视化, 数值计算

Abstract:

It is difficult to use the traditional optical measurement technology measure the three-dimensional flow field inside the turbine blade with complex cooling structures. In this paper， the Magnetic Resonance Velocimetry （MRV） technology was employed to investigate the flow behavior inside a turbine blade with multiple cooling structures， particularly the flow in the blade trailing edge. MRV data were then compared with numerical simulations for validation purposes， and the effect of full-height or half-height pin fins on the flow out of trailing edge holes/slots was studied numerically. The results show that MRV is able to capture the internal flow characteristics of the cooled turbine blade， such as the vortices around the pin-fins and the slots. Furthermore， both MRV data and numerical results show that along the spanwise direction， the mass flow rate of the film hole decreases， while that of the slot increases. It is also found that the influence of full-height and half-height pin fins on the flow out of trailing edge holes/slots is mainly in increasing the flow resistance and the driving pressure difference of the outflow， thereby changing the mass flow rate through the holes/slots. The full-height and half-height pin fins increase the overall outflow of the film holes by about 2.8%， while reducing that of the slots by about 2.8%.

Key words: magnetic resonance velocimetry (MRV), internal flow of turbine blade, composite cooling, flow visualization, numerical calculation

中图分类号:

V231.3

赖佑奎, 马海腾, 刘一粟, 欧阳华. 基于磁共振测速的复合冷却涡轮叶片流动分析[J]. 航空学报, 2023, 44(14): 627920-627920.

Youkui LAI, Haiteng MA, Yisu LIU, Hua OUYANG. Flow measurement and analysis of a turbine blade with multiple cooling structures based on magnetic resonance velocimetry[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2023, 44(14): 627920-627920.

图/表 22

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参考文献 41

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参数		NASA GE-E³实验	MRV实验
冷流温度/K		344	295
冷流压力/kPa		346.6
第1级单个动叶冷流流量/（kg·s^-1）		0.005 1	0.287 0
第1级单个动叶冷流流量占比/%	前缘通道	49.39	37.98
	蛇形通道		41.81
	尾缘通道	50.61	20.21
雷诺数	前缘通道	12 792	5 503
	蛇形通道		5 475
	尾缘通道	20 564	2 718

扫描方向	横断位	冠状位
视野/mm³	301×179×288	272×90×339
分辨率/mm³	0.5×0.5×1.6	0.5×0.75×0.5
采样矩阵	380×636×180	696×120×558
重复时间/ms	12	12
回波时间/ms	5.9	5.9
偏转角度/（°）	15	15
编码速度/（m·s^-1）	0.8	0.8
重复次数	2	2
线圈	相控线圈（24通道）	相控线圈（24通道）
层厚/mm	3.2	1.5

位置	流量分配/%
位置	基础构型	全高扰流柱	半高扰流柱	无扰流柱
气膜孔（TE1~TE6）	22.92	22.16	21.01	20.13
半劈缝（TE7~TE9）	74.52	75.30	76.44	77.33
气膜孔（TE10）	2.56	2.55	2.55	2.54

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基于磁共振测速的复合冷却涡轮叶片流动分析

Flow measurement and analysis of a turbine blade with multiple cooling structures based on magnetic resonance velocimetry

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