平板氣膜冷卻孔中心線上絕熱效率的實(shí)驗(yàn)研究

沈偉杰，董若凌，施紅輝，張曉東，陳 偉，2

（1.浙江理工大學(xué)機(jī)械與自動(dòng)控制學(xué)院，杭州310018；2.杭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院金都管理學(xué)院，杭州310018）

平板氣膜冷卻孔中心線上絕熱效率的實(shí)驗(yàn)研究

沈偉杰1，董若凌1，施紅輝1，張曉東1，陳 偉1，2

（1.浙江理工大學(xué)機(jī)械與自動(dòng)控制學(xué)院，杭州310018；2.杭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院金都管理學(xué)院，杭州310018）

以優(yōu)化冷卻孔射流角度和射流參數(shù)為主要實(shí)驗(yàn)?zāi)康模瑢⑵桨鍤饽だ鋮s作為研究對(duì)象，應(yīng)用紅外熱像儀作為溫度監(jiān)測(cè)手段，研究不同角度的簡單和帶有復(fù)合角的復(fù)雜圓形孔射流對(duì)平板中心線上氣膜冷卻絕熱效率的影響。在吹風(fēng)比分別為M=0.5、1.0、1.5時(shí)，實(shí)驗(yàn)研究了簡單圓形孔射流角度α=35、60、90°和帶復(fù)合角β=15、60、90°圓形孔的不同排列下平板中心線上氣膜冷卻的絕熱效率。結(jié)果表明：在簡單孔情況下，射流角α=35°時(shí)絕熱效率較好，帶復(fù)合角情況下，β=90°時(shí)較高。雙排布置時(shí)絕熱效率比單排的要高很多，其中插排最佳。

氣膜冷卻；絕熱效率；孔型；實(shí)驗(yàn)研究

0 引 言

隨著燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)的不斷更新發(fā)展，為了提高燃?xì)廨啓C(jī)的效率，必須提高燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)口氣溫。但是由于燃?xì)廨啓C(jī)葉片耐高溫性能有限，所以為了保證葉片的壽命和可靠性，必須對(duì)葉片進(jìn)行冷卻保護(hù)。其中，最常用的方法就是氣膜冷卻。目前，有關(guān)氣膜冷卻方面的研究已有很多，Goldstein［1］、Han［2］等最早從事氣膜冷卻研究的工作。他們研究了在不同射流角度下不同吹風(fēng)比時(shí)的絕熱效率，發(fā)現(xiàn)射流角度α=30°時(shí)，吹風(fēng)比M=0.5左右絕熱效率達(dá)到最大值，而后隨著吹風(fēng)比的增大絕熱效率逐漸減小。許都純等［3］對(duì)單孔氣膜冷卻射流與主流的相互作用下的速度和溫度的分布進(jìn)行了詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)研究。朱慧人等［4］通過實(shí)驗(yàn)的方法，試驗(yàn)比較了圓柱形孔、簸箕形孔和圓錐形孔的冷卻效率，結(jié)果表明帶有擴(kuò)張型出口的氣膜冷卻效率均要優(yōu)于圓柱形孔。Ekkad等［5］研究了不同射流孔型下的氣膜冷卻效率及其隨動(dòng)量通量比的變化規(guī)律。Thole等［6］利用激光多普勒測(cè)速儀測(cè)量了圓形孔、扇形孔、擴(kuò)散孔三種孔型出口處的速度，發(fā)現(xiàn)相對(duì)于圓形孔，扇形孔在出口處有更大的橫向覆蓋區(qū)域而擴(kuò)散孔的絕熱效率要低。Gritsch等［7］和Yu等［8］研究了不同孔型下氣膜冷卻效率得出扇形孔的絕熱效率相對(duì)較高，傳熱系數(shù)相對(duì)較低。劉江濤等［9］采用數(shù)值模擬得出帶有復(fù)合角的圓形孔和擴(kuò)散形孔冷卻氣膜的覆蓋面積較寬，但小吹風(fēng)比時(shí)絕熱效果有限。李少華、宋東輝等［10］采用數(shù)值模擬的方法對(duì)圓形孔、簸箕形孔和圓錐形孔在不同吹風(fēng)比下的絕熱效率進(jìn)行了研究，得出了三種孔型分別在M= 0.28、M=0.5、M=4.3時(shí)具有最佳的絕熱效率。劉建紅等［11］通過RNG k-ε湍流模型數(shù)值模擬了相同傾斜入射角不同扇形擴(kuò)展角的氣膜冷卻單孔射流流場(chǎng)下游的流動(dòng)和傳熱特性，對(duì)相同吹風(fēng)比下的冷卻效率進(jìn)行了比較分析。

本文對(duì)回流風(fēng)洞進(jìn)行改造升級(jí)，搭建了一套利于觀察和測(cè)量氣膜冷卻的實(shí)驗(yàn)裝置；觀測(cè)了吹風(fēng)比、射流角度、孔型等關(guān)鍵因素對(duì)平板氣膜冷卻效果的影響，并對(duì)獲取的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析比較。

1 實(shí)驗(yàn)裝置及儀器

如圖1為本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡圖。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意

實(shí)驗(yàn)在浙江理工大學(xué)流體機(jī)械研究所現(xiàn)有的環(huán)形低速風(fēng)洞中進(jìn)行，可控制風(fēng)速在3～25 m/s之間，主要包括實(shí)驗(yàn)段、穩(wěn)定段、收縮段等幾個(gè)部分。風(fēng)洞的矩形實(shí)驗(yàn)段尺寸為0.6 m×0.6 m×2 m。實(shí)驗(yàn)需在矩形實(shí)驗(yàn)段前端安置一個(gè)加熱系統(tǒng)，加熱系統(tǒng)由定制的3排、每排各11根的石英加熱管構(gòu)成，可以將風(fēng)速為10m/s的實(shí)驗(yàn)段內(nèi)的空氣加溫到70℃左右。

平板溫度的監(jiān)測(cè)由紅外觀察系統(tǒng)來完成，該系統(tǒng)由紅外熱像儀、氟化鈣濾光片、工控電腦等組成。FLIR A320紅外熱像儀（美國FLIR公司生產(chǎn)），工作波段7.5～13μm，測(cè)溫范圍：-20℃～120℃，溫度分辨率為0.1℃，測(cè)量精度±2%。熱電偶（Agilent 34970A）和熱線風(fēng)速儀（Testo 425）加以配合使用，熱電偶分辨率0.1℃，熱線風(fēng)速儀溫度精度± 0.5℃，分辨率0.1℃，風(fēng)速精度±0.03 m/s，分辨率0.01 m/s。實(shí)驗(yàn)所用的平板尺寸為50 cm×30 cm，其中實(shí)驗(yàn)段為30 cm×30 cm的區(qū)域，由有機(jī)玻璃加工而成，實(shí)驗(yàn)段表面銑去2 mm黏附一層同等面積的傳熱性良好的2 mm不銹鋼薄片，并在不銹鋼表面噴上黑漆以提高輻射率。圖2～圖4為實(shí)驗(yàn)中所使用的平板的示意圖。圖2為簡單圓形孔平板的排列方式示意圖，射流角角度分別取α=35°、α=60°、α =90°。簡單孔雙排是將圓形孔按順排和插排兩種方式排列，此時(shí)射流角度都是α=35°，如圖3。圖4是帶復(fù)合角平板的排列方式示意圖射流孔的主射流角度是α=35°，復(fù)合角分別為β=15°、β=60°、β= 90°。射流孔的內(nèi)徑D=10 mm，長徑比L/D=4，孔間距P=3D=30 mm，每排五個(gè)孔，雙排時(shí)排間距為S=6D=60 mm。

圖2 簡單孔平板示意

圖3 雙排孔平板示意

圖4 帶復(fù)合角平板示意

氣膜冷卻絕熱效率作為衡量氣膜冷卻特性的重要參數(shù)，其表達(dá)式可以定義為

其中，Taw指冷卻壁面表面的溫度；T∞指主流的溫度；Tc指射流的溫度。絕熱效率的值表示了氣膜冷卻的效果。當(dāng)絕熱壁面的溫度降到和冷卻射流同一個(gè)溫度時(shí)，絕熱效率達(dá)到最大值。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 簡單孔

圖5是三種吹風(fēng)比時(shí)簡單孔中心線上絕熱效率曲線。由圖5可知，沿著主流的方向，三種角度射流孔時(shí)的絕熱效率均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，靠近射流孔處的近場(chǎng)射流量大，所以渦心渦量相對(duì)也大，于是緊挨著射流孔處的絕熱效率高；下游逐漸遠(yuǎn)離射流孔，縱向耦合渦因耗散不斷減弱，渦心位置不斷提高，渦量也逐漸降低，絕熱效率也隨之降低。三種不同角度的射流孔近場(chǎng)，隨著吹風(fēng)比的增加絕熱效率逐漸降低。這是因?yàn)殡S著吹風(fēng)比的增大，射流的初始動(dòng)量會(huì)隨之增大，垂直方向的動(dòng)量分量增大導(dǎo)致冷卻射流會(huì)穿透主流的邊界層，對(duì)主流的摻混作用增大，射流與主流交匯后不易彎曲、貼附到絕熱壁面上。同時(shí)，隨著吹風(fēng)比的增加，沿著主流方向，絕熱效率的下降幅度變小，吹風(fēng)比增大時(shí)射流量也增大，冷卻射流作用的范圍變遠(yuǎn)，在遠(yuǎn)離孔口的下游冷卻射流又重新貼附到了絕熱壁面上，所以大吹風(fēng)比時(shí)遠(yuǎn)場(chǎng)絕熱效率降低的速率會(huì)相對(duì)較緩慢，而吹風(fēng)比小時(shí)遠(yuǎn)場(chǎng)絕熱效率降低的速率較快。射流角α=35°時(shí)的絕熱效率相對(duì)于射流角α=60°和α=90°都要高，說明簡單孔射流角度較小時(shí)射流孔流出的冷卻射流在主流的作用下更易于產(chǎn)生彎曲并貼附到了絕熱壁面的表面，形成良好的冷卻氣膜，隔絕了高溫主流對(duì)絕熱壁面的作用；射流角度較大時(shí)射流初期與主流在垂直方向上的相互作用變大，不能形成有效的冷卻氣膜，使得絕熱效率降低。當(dāng)α=60°和α=90°時(shí)中心線上的絕熱效率相當(dāng)，但是α=90°時(shí)在X/D＞4處開始，吹風(fēng)比M=1.0、1.5的絕熱效率要大于M=0.5的，說明在這個(gè)角度下吹風(fēng)比的增加對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)的絕熱效率提高比其他兩個(gè)角度要好?？傮w來說α=35°時(shí)各吹風(fēng)比下孔中心線上的絕熱效率相對(duì)較好。

圖5 簡單孔孔中心線上絕熱效率曲線

2.2 雙排孔

圖6是雙排布置下孔中心線上絕熱效率曲線。雙排孔是射流角α=35°的簡單圓形孔排列而成的。比較圖5和圖6可知，平板氣膜冷卻在雙排射流的情況下，絕熱效率相對(duì)于單排的情況總體有所提高。雙排孔射流時(shí)，冷卻射流的流量較大，冷卻效果相對(duì)于單排孔射流時(shí)要好。這是因?yàn)殡p排射流時(shí)，前排射流孔的存在增厚了兩排射流孔之間的邊界層厚度，這一邊界層減小了兩排孔之間的主流的動(dòng)量和剪切層的速度，而且也降低了第二排射流孔附近的湍流度。由于第二排射流孔處主流來流動(dòng)量的減小使得第二排射流轉(zhuǎn)換量的減小，從而保證了雙排射流孔比單排射流孔射流出口后覆蓋的范圍更廣，對(duì)主流的滲透也更厚，形成了更加有效的氣膜冷卻，使得雙排射流孔孔中心線上的絕熱效率較單排射流孔時(shí)得到了提高。

在順排射流孔中心線上絕熱效率曲線圖6（a）中可以看出，三種吹風(fēng)比下孔中心線上絕熱效率隨著X/D值的增加逐漸減小。吹風(fēng)比M=0.5、1.0兩種情況下，絕熱效率隨著X/D值的增加逐漸降低的頻率基本相同。但是吹風(fēng)比M=1.5時(shí)，在X/D＞6時(shí)，絕熱效率比吹風(fēng)比M=0.5，1.0都要大，說明在順排射流下，在射流孔的下游，吹風(fēng)比M=1.5時(shí)的效果更好。由插排射流孔中心線上絕熱效率曲線圖6（b）中可知，插排的絕熱效率比順排和單排的絕熱效率都要高出50%左右，并且隨著吹風(fēng)比M的增大而增大。插排情況時(shí)三種吹風(fēng)比下孔中心線上絕熱效率沿著主流方向下降的頻率不同，吹風(fēng)比越大，下降頻率越小。所以吹風(fēng)比M=1.5的絕熱效率比其他兩個(gè)吹風(fēng)比在射流孔近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)都要好。由圖6可以看出，相比于順排孔中心線上的絕熱效率，插排情況下，當(dāng)吹風(fēng)比M=1.5時(shí)，其絕熱效率是最大的。

圖6 雙排孔孔中心線上絕熱效率曲線

2.3 帶復(fù)合角圓形孔

圖7為帶復(fù)合角的圓形孔實(shí)驗(yàn)得到的孔中心線上的絕熱效率曲線。圖7可見，帶復(fù)合角β=15°排列時(shí)，吹風(fēng)比的增加會(huì)使絕熱效率下降。在X/D＞8處，M=1.0時(shí)孔中心線上絕熱效率要大于M= 0.5的，說明在射流孔的遠(yuǎn)場(chǎng)，吹風(fēng)比M=1.0的絕熱效率要比其他兩者都好。沿著主流方向，M=1.0和M=1.5的絕熱效率逐漸降低的頻率基本相同，而小吹風(fēng)比M=0.5時(shí)下降的頻率較快。復(fù)合角β =60°時(shí)，孔中心線上絕熱效率總體上是稍好于β= 15°排列的絕熱效率的。在此角度，吹風(fēng)比較大時(shí)，其絕熱效率曲線的下降相對(duì)于M=0.5時(shí)要平緩，并且當(dāng)X/D＞6后，較大吹風(fēng)比的絕熱效率都要優(yōu)于M= 0.5的絕熱效率。說明大吹風(fēng)比時(shí)，在遠(yuǎn)離射流孔的下游，冷卻射流又重新粘附到了絕熱壁面。復(fù)合角β =90°時(shí)，3個(gè)吹風(fēng)比的絕熱效率都是3個(gè)不同復(fù)合角中最好的。并且隨吹風(fēng)比逐步增大，其下游的絕熱效率是越來越好的。當(dāng)X/D＞2后，吹風(fēng)比M=1.0的絕熱效率要比M=0.5的絕熱效率好。當(dāng)X/D＞6后，吹風(fēng)比M=1.5的絕熱效率又要優(yōu)于M=1.0的。這是因?yàn)棣?90°時(shí)，射流孔的布置完全由橫向排列轉(zhuǎn)成縱向，冷卻射流的覆蓋完全往β角旋轉(zhuǎn)的一側(cè)偏轉(zhuǎn)，吹風(fēng)比越大偏轉(zhuǎn)越嚴(yán)重。在遠(yuǎn)離射流孔口的下游壁面，當(dāng)吹風(fēng)比較大時(shí)，射流孔出來的射流流量變大使得遠(yuǎn)場(chǎng)壁面的溫度低于小吹風(fēng)比M=0.5時(shí)的溫度，而且壁面溫度也會(huì)更加均勻。當(dāng)吹風(fēng)比增大時(shí)，射流的動(dòng)量也隨之增加，射流的縱向動(dòng)量分量導(dǎo)致冷卻射流在下游會(huì)竄入相鄰的射流，從而使鄰近射流孔下游的冷卻氣流增多，覆蓋到絕熱壁面，形成更加有效的冷卻氣膜，提高絕熱效率。總體來說，帶有復(fù)合角的圓形孔排列的三種平板實(shí)驗(yàn)中，帶復(fù)合角β=90°排列時(shí)的孔中心線上氣膜冷卻絕熱效率是最好的。

圖7 帶復(fù)合角圓形孔單排絕熱效率曲線

3 結(jié) 論

本文以平板射流氣膜冷卻實(shí)驗(yàn)研究為主，選取了簡單圓形孔、帶復(fù)合角圓形孔為研究孔形，通過紅外熱像儀來進(jìn)行觀測(cè)。對(duì)比了在不同吹風(fēng)比下，不同射流角度角度、不同排列方式等實(shí)驗(yàn)條件下的射流孔中心線下游絕熱效率曲線，得出如下結(jié)論：（a）簡單孔射流的情況下，射流角度α=35°時(shí)各吹風(fēng)比下孔中心線上絕熱效率相對(duì)較好。絕熱效率在吹風(fēng)比M=0.5時(shí)最佳，隨著吹風(fēng)比的增加絕熱效率會(huì)降低，也會(huì)導(dǎo)致冷卻氣體的有效覆蓋面積減小；（b）對(duì)于帶復(fù)合角的圓孔射流，復(fù)合角β=90°排列時(shí)，氣膜冷卻絕熱效率是三個(gè)復(fù)合角中最好的，并且隨吹風(fēng)比的逐步增大，其下游的絕熱效率越來越好；（c）雙排射流時(shí)，順排和插排兩者都有比較好的絕熱效率，并且插排的絕熱效率又要優(yōu)于順排的，插排的絕熱效率在大吹風(fēng)比M=1.5時(shí)最佳。

［1］Goldfield M L，Sargison J E.A converging slot-hole film-cooling geometrypart 2：transonic nozzle guide vane heat transfer and loss［J］.ASME：Journal of Turbo-Machinery，2002，124：461-471.

［2］Han J C，TENG S Y.Effect of film-hole shape on turbine-blade film-cooling performance［J］.ASME：Journal of Thermo Physics and Heat Transfer，2001，15（3）：257-265.

［3］許都純，徐紅洲，劉松齡.單孔射流與主流相互作用時(shí)的流動(dòng)和傳熱的實(shí)驗(yàn)研究［J］.西北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1997，15（2）：165-171.

［4］朱惠人，許都純，劉松齡.氣膜孔形狀對(duì)孔排下游冷卻效率的影響［J］.航空學(xué)報(bào)，2002，23（1）：75-78.

［5］Ekkad S V，Zapata D，Han JC.Film effectiveness over a flat surface with air and CO2film injection through compound angle holes using at ransient liquid crystal image method［J］.ASME：Journal of Turbomachinery，1997，119（3）：587-593.

［6］Thole K，Gritsch M，Schulz A，et al.Flow field measurements for film cooling holes with expanded exits［J］. ASME：Journal of Turbomachinery，1998，120：327-336.

［7］Gritsch M，Schulz A，Wittig S.Adiabatic wall effectiveness measurements of film-cooling holes with expanded exits［J］.Journal of Turbomachinery，1998，120（3）：549-556.

［8］Yu Y，Yen C H，Shin T I P，et al.Film cooling effectiveness and heat transfer coefficient distributions around diffusion shaped holes［J］.ASME：Journal of Heat Transfer，2002，124（5）：820-827.

［9］劉江濤，吳海玲，陶 濤，等.斜孔氣膜冷卻數(shù)值模擬分析［J］.工程熱物理學(xué)報(bào)，2004，25（6）：1034-1036.

［10］李少華，宋東輝，劉建紅，等.不同孔型平板氣膜冷卻的數(shù)值模擬［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2006，26（17）：112-116.

［11］劉建紅，歷 濤，李 冬.入射角度對(duì)氣膜冷卻效果影響的數(shù)值研究［J］.長春工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2009，10（1）：65-67.

Experimental Research on Adiabatic Efficiency on Center Line of Plate Air Film Cooling Hole

SHEN Wei-jie1，DONGRuo-ling1，SHI Hong-hui1，ZHANG Xiao-dong1，CHEN Wei1，2
（1.School of Mechanical Engineering and Automation，Zhejiang Sci-Tech University，Hangzhou 310018，China；2.Jindu Management Institute，Hangzhou Vocational Technical College，Hangzhou 310018，China）

With the optimization of jet flow angle and parameters of cooling hole as the main experimental objective and plate air film cooling as the research object，this research studies the influence of jet flow of simple circular holes and complicated circular holes with compound angle with different angles on air film cooling on the center line of plate by using thermal infrared imager as temperature monitoring means.When the blowing ratio M is respectively 0.5，1.0 and 1.5，the experiment studies the adiabatic efficiency of air film cooling on the center line of plate under different arrangements when jet flow angle of simple circular holeα=35°、60°、90°and jet flow angle of complicated circular hole with compound angleβ= 15°、60°、90°.The result shows that adiabatic efficiency is higher when jet flow angleα=35°under the condition of simple hole and adiabatic efficiency is higher whenβ=90°under the condition of hole with compound angle；adiabatic efficiency under double-row layout is far higher than that under single-row layout；adiabatic efficiency is the highest under insert row.

air film cooling，adiabatic efficiency，hole pattern，experimental research

TH140.7

A

（責(zé)任編輯：張祖堯）

1673-3851（2014）01-0011-05

2013-09-06

浙江省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（Y1090869）；浙江省科技廳公益技術(shù)研究工業(yè)項(xiàng)目（2012C2103）；浙江省重中之重學(xué)科和浙江理工大學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室優(yōu)秀青年人才培養(yǎng)基金（ZSTUMD2011B011）

沈偉杰（1988-），男，浙江杭州人，碩士研究生，主要從事汽車制造技術(shù)的研究。

董若凌，E-mail：dongruoling@zstu.edu.cn