具有復合角的多斜孔板流量系數(shù)研究

曹宗華，何躍龍

(中國燃氣渦輪研究院，四川成都610500)

1 引言

具有復合角的多斜孔全氣膜冷卻是航空發(fā)動機燃燒室火焰筒冷卻結構之一，具有冷卻氣量少、冷卻效率高的特點，其流量系數(shù)是設計這種冷卻方式的必要數(shù)據(jù)。目前，小孔孔長、孔傾角、孔偏角等參數(shù)對流量系數(shù)的影響已有不少研究[1，2]，但針對同時具有孔偏角和孔傾角的小孔流量系數(shù)的研究還較少。國內方韌等[3]試驗研究了結構參數(shù)對多斜孔板流量系數(shù)的影響，得出孔的排布方式、孔長度、孔傾角和孔偏角對流量系數(shù)的影響較大。國外Gritsch等[4]研究了多個參數(shù)對單個孔徑為10 mm、具有復合角的多斜孔板流量系數(shù)的影響，指出主次流壓比增大會增大流量系數(shù)，孔傾角和孔偏角增大會加大小孔進口處的損失，使得流量系數(shù)減小。以上研究對象的孔徑都比全氣膜冷卻方式的孔徑(直徑0.5～1.0 mm)大，且試驗均在主次流溫度相同的條件下進行，沒有考慮傳熱對多斜孔板流量系數(shù)的影響。針對上述不足，本文通過試驗方法研究在主次流溫度不同的環(huán)境下，幾何參數(shù)和氣動參數(shù)對具有復合角的多斜孔板流量系數(shù)的影響，為航空發(fā)動機燃燒室冷卻設計提供支持，提高空氣流量分配計算精度。

2 試驗設備、試驗件及試驗狀態(tài)

2.1 試驗設備

圖1為試驗設備示意圖。空氣經(jīng)兩臺鼓風機進入廠房后分為主流和次流兩路，主流經(jīng)氣動薄膜閥、流量噴嘴、直接加溫器后進入試驗段；次流經(jīng)氣動薄膜閥和流量噴嘴后不加溫直接進入試驗段，再通過多斜孔板上大量的冷卻小孔匯入主流，與主流一起通過氣動薄膜閥排出。主、次流流量分別由流量噴嘴測量，溫度分別由3支和2支熱電偶測量，壓力各由2支靜壓測量耙測量。

2.2 試驗件

具有復合角的多斜孔板試驗件結構示意圖見圖2(圖中，p/d為展向無量綱孔排間距，s/d為軸向無量綱孔排間距，α為小孔傾角，β為小孔偏角，t為孔板厚，d為小孔直徑)，結構參數(shù)見表1。小孔直徑均在0.5～0.9 mm范圍內。

表1 不同結構的多斜孔板幾何參數(shù)Table 1 Geometric parameters of different multi-hole plate

2.3 試驗狀態(tài)參數(shù)

由于現(xiàn)有燃燒室的主次流溫比在1.5～2.5范圍內，火焰筒內主流馬赫數(shù)在0.1左右，故本試驗主要錄取了主次流溫比E為1.5、2.0和2.5，主流馬赫數(shù)Ma為 0.05、0.10和 0.15，相對壓比Pc/Pm為 1.02～1.18(Pc為次流總壓，Pm為主流總壓)試驗條件下，多斜孔板試驗件的流量系數(shù)。

2.4 流量系數(shù)和孔內流動雷諾數(shù)的定義

流量系數(shù)Cd定義為單位時間內實際流過多孔板試驗件的氣體流量與理論流量之比，可由下式計算求得[5]：

孔內流動雷諾數(shù)Red定義為：

式中：υ為冷卻氣運動粘度。

3 試驗結果分析

3.1 孔內流動雷諾數(shù)的影響

在Ma為0.1、E為2.5條件下，試驗所得流量系數(shù)隨孔內流動雷諾數(shù)的變化曲線如圖3所示。從圖中可以看出，在試驗范圍內，2#、3#、4#多斜孔板的Cd變化不大；1#、5#、6#、7#、10#多斜孔板的Cd與Red成線性關系；8#、9#多斜孔板，當Red較小時，Cd與Red成線性關系，隨著Red的增大，Cd變化不大。由此可見，對于大多數(shù)多斜孔板，當Red＜4 000時，多斜孔板的Cd與Red呈線性關系；當Red＞5 000時，Cd變化不大。為便于工程應用，將不同結構的多斜孔板試驗件的流量系數(shù)與孔內流動雷諾數(shù)的關系式進行擬合，見表2。

表2 試驗件Cd與Red的關系式Table 2 The equation betweenCdandRed

3.2 孔傾角的影響

圖4所示為不同孔傾角下孔板流量系數(shù)的比較。從圖中看出，相同條件下α=40°時的Cd最大，α=30°時的Cd其次，α=50°時的Cd最小。這是兩方面因素共同作用的結果：一方面α越小，氣流進入冷卻小孔更接近于總壓進氣，這會增大孔板的Cd；另一方面，α越小，氣流流過的路徑增加，使得沿程的流動損失增加，又會減小孔板的Cd。

3.3 孔偏角的影響

在其它幾何參數(shù)都相同的情況下，只考慮孔偏角對流量系數(shù)的影響，結果如圖5所示。從圖中可以看出，β＝25°時的Cd最大，β＝40°和β＝55°時的Cd基本相當。這是因為當β＜40°時，隨著β的增加，小孔射流與主流的摻混損失隨之增加，從而導致Cd減?。划敠拢?0°時，β的改變對Cd的影響很小。

3.4 板厚的影響

板厚對流量系數(shù)的影響如圖6所示。從圖中看出，Cd隨t的增加而減小。當t/d=3.5和4.2時，其Cd較t/d=3.0時分別減小了3.97%和7.44%。這是因為隨著t的增加，孔的長徑比和換熱面積也隨之增加，氣流沿程流動損失加大，熱交換變強，熱阻增加，使得機械能損失增加，從而導致Cd減小。

3.5 主次流溫比的影響

圖7示出了主次流溫比對1#和3#多斜孔板流量系數(shù)的影響。從圖中看，1#和3#試驗件的Cd都隨E的增加而減小，E=2.5時的Cd較E=1.5時分別減少7.4%和6.0%。這是因為隨著E的增大，高溫氣體向孔板的傳熱變多，從而增加了孔板向孔內冷卻氣的傳熱量，導致熱阻增加，機械能損失增加，故Cd變小。可見，主次流溫比對多斜孔板流量系數(shù)有較大影響。

3.6 主流馬赫數(shù)的影響

圖8示出了主流馬赫數(shù)對1#、3#多斜孔板流量系數(shù)的影響。從圖中看出，Cd隨Ma的增大而增加，這是因為Ma增大對冷卻小孔出口氣流起到了強化引射的作用。

4 結論

(1)孔內流動雷諾數(shù)小于4 000時，流量系數(shù)與雷諾數(shù)呈線性關系；孔內流動雷諾數(shù)大于5 000時，流量系數(shù)變化不大。

(2)孔偏角小于40°時，流量系數(shù)隨偏角的增大而減??；孔偏角大于40°時，偏角的改變對流量系數(shù)影響不大。

(3)流量系數(shù)隨板厚及主次流溫比的增大而減小，孔內換熱量對多斜孔板流量系數(shù)的影響較大。

(4)流量系數(shù)隨主流馬赫數(shù)的增大而增加。

[1]Burd S W，Simon T W.Measurements of Discharge Coeffi?cients in Film Cooling[J].ASME Journal of Turbomachin?ery，1999，121：243—248.

[2]Hay N，Henshall S E，Manning A.Discharge Coefficients of Holes Angled to Flow Direction[J].ASME Journal of Turbomachinery，1994，116：92—96.

[3]方 韌，林宇震，李 彬，等.燃燒室多斜孔壁流量系數(shù)研究[J].航空動力學報，1998，13(1)：61—64.

[4]Gritsch M，Schulz A，Wittig S.Effect of Crossflows on the Discharge Coefficient of File Cooling Holes with Varying Angles of Inclination and Orientatino[R].ASME 2001-GT-0134，2001.

[5]張樹林，王洪斌.多斜孔板氣膜冷卻性能試驗研究[J].航空發(fā)動機，2005，31(3)：23—26.