內(nèi)部橫流對外部氣膜冷卻特性的影響

駱劍霞，朱惠人，劉存良，賈廣森

（西北工業(yè)大學(xué)動力與能源學(xué)院，陜西 西安710072）

0 引言

在現(xiàn)代航空發(fā)動機中，渦輪前溫度已高于葉片材料的熔點，因而必須采用高效的冷卻技術(shù)。大多數(shù)渦輪葉片冷卻方式均為內(nèi)外綜合冷卻，包括復(fù)雜的內(nèi)部冷卻通道與外部的氣膜孔結(jié)構(gòu)。目前，一般研究大多都是針對單獨內(nèi)部冷卻或單獨外部冷卻展開，兩者分別有著大量的研究成果。但是關(guān)于內(nèi)外冷卻結(jié)構(gòu)之間相互影響的研究比較少。掌握內(nèi)外流之間的相互影響機理，協(xié)調(diào)優(yōu)化內(nèi)外冷卻結(jié)構(gòu)，才能設(shè)計出更高效的葉片冷卻方式。

內(nèi)外流之間的相互影響可以分為2部分內(nèi)容［1－11］，一是關(guān)于氣膜孔出流對內(nèi)部流動與換熱影響的研究，二是關(guān)于內(nèi)部流動對外部氣膜冷卻特性影響的研究。在此，分析對比了內(nèi)部橫流對外部氣膜冷卻特性的影響。

1 研究方法

1．1 實驗系統(tǒng)

實驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。在系統(tǒng)中，二次流與主流分別由離心風(fēng)機提供。

主流流入實驗臺穩(wěn)定段和收縮段A后，均勻地通過快速加熱器，在加熱器內(nèi)得到均勻一致的加熱?？焖偌訜崞髦筮€有一段收縮段B，以確保均勻穩(wěn)定的主流流入實驗測量段。實驗測量段橫截面尺寸為220 mm×80 mm。為了消除加熱器對主流邊界層帶來的影響，在實驗測量段入口處一側(cè)的測量板上布置有一刃狀劈縫。在氣膜孔中心上游140 mm處測得主流湍流度小于1%。

實驗通道中布置有5個氣膜孔，如圖1所示。氣膜孔直徑D為10 mm，氣膜孔長徑比L／D＝3，氣膜孔孔間距P／D＝4，氣膜孔流向傾角α為30°。

二次流流量由通道前后2個孔板流量計控制。二次流通道截面尺寸為70 mm×70 mm。

實驗條件：主流進(jìn)口平均速度約為17 m／s，基于氣膜孔直徑的進(jìn)口雷諾數(shù)ReD＝10 000；二次流進(jìn)口平均速度約為23 m／s，基于二次流通道水力直徑的進(jìn)口雷諾數(shù)ReDh為50 000和100 000。

實驗中氣膜孔吹風(fēng)比為0．5，1．0和2．0。吹風(fēng)比定義為：

ρc為二次流密度；Uc為二次流孔內(nèi)平均速度；ρm為主流密度；Um為主流進(jìn)口平均流速。

坐標(biāo)軸原點定義為中間氣膜孔出口中心，X軸為主流流動方向，Y軸為二次流通道橫流流動方向，Z軸為高度方向。

圖1 實驗系統(tǒng)

1．2 測量方法及誤差分析

實驗使用窄帶液晶測量氣膜孔下游壁面上的溫度，多次測量求解出表面換熱系數(shù)和冷卻效率。熱色液晶測量技術(shù)已被廣泛應(yīng)用，關(guān)于其原理和方法，參考文獻(xiàn)［12］有詳細(xì)的介紹和分析。參考文獻(xiàn)［13］分析了使用瞬態(tài)液晶同時測量換熱系數(shù)和氣膜冷卻效率實驗中的不確定度，參考其研究方法，計算得出實驗中冷卻效率的不確定度為6．15%～10%，換熱系數(shù)的不確定度為5%～7．14%。

2 結(jié)果與分析

2．1 氣膜冷卻效率

各表面展向平均氣膜冷卻效率分布曲線如圖2所示。實驗測量所得不同條件下表面冷卻效率η分布云圖如圖3所示。圖中坐標(biāo)X／D和Y／D為無量綱距離，其中，X，Y為該位置處橫向、展向與氣膜孔中心距離，D為氣膜孔直徑。

圖2 氣膜孔下游表面展向平均冷卻效率分布曲線

圖3 氣膜孔下游表面冷卻效率分布云圖

吹風(fēng)比為0．5時，在不同的內(nèi)部橫流條件下，冷卻效率分布均呈現(xiàn)為：高冷卻效率區(qū)域向＋Y側(cè)偏移，沿流動方向冷卻效率逐漸下降。而且內(nèi)部橫流越大，偏斜越嚴(yán)重，氣膜展向分布越窄，沿流動方向下降越迅速。內(nèi)部橫流的存在，使得進(jìn)口氣流具有橫流方向速度分量。在小吹風(fēng)比下，氣膜孔出流抽吸作用較弱，對橫流影響的削弱作用也較弱，橫流使得出口射流向橫流方向（＋Y方向）偏斜，從而影響了氣膜分布，橫流越大，這部分影響越明顯。由圖2可以看出，橫流ReDh＝100 000與ReDh＝50 000相比，展向平均冷卻效率下降了約20%。

吹風(fēng)比為1時，氣膜孔出流抽吸作用增強，因而橫流作用相對減弱。橫流的作用使得氣膜孔出口＋Y側(cè)射流高度高于－Y側(cè)，因而氣膜孔下游－Y側(cè)壁面的冷卻效率較高。內(nèi)部橫流越大，射流與主流的摻混作用越強，展向分布越寬，尤其是在靠近氣膜孔出口處，展向平均冷卻效率提高了50%，沿著流動方向該作用越來越弱。

吹風(fēng)比為2時，氣膜孔射流的Z向分量較大，射流易沖出壁面。在ReDh＝50 000時，射流沖出壁面，冷卻效率很低。在ReDh＝100 000時，橫流作用增強了氣膜孔出口射流與主流的摻混作用，這使得一部分冷氣仍能貼附壁面，冷卻效率相對較高。與小橫流條件對比，大橫流條件下展向平均冷卻效率提高了約180%。

在各橫流條件下，隨著吹風(fēng)比的增加，冷卻效率均表現(xiàn)為先增加后下降。

2．2 換熱系數(shù)

實驗測量所得不同條件下表面換熱系數(shù)（hf／h0）分布云圖如圖4所示。各表面展向平均換熱系數(shù)比分布曲線如圖5所示。

圖4 氣膜孔下游表面展向平均換熱系數(shù)比分布云圖

圖5 氣膜孔下游表面展向平均換熱系數(shù)比分布曲線

由圖4和圖5可以看出，不同的橫流雷諾數(shù)使得氣膜孔下游換熱系數(shù)分布有較大的區(qū)別。總體說來，橫流的作用使得換熱系數(shù)分布呈現(xiàn)非對稱性，橫流Re數(shù)越大，非對稱性越明顯。

根據(jù)參考文獻(xiàn)［14］，無橫流條件下，圓柱型氣膜孔出口射流與主流相互作用，形成一對對稱分布的外轉(zhuǎn)對轉(zhuǎn)渦。對轉(zhuǎn)渦在射流兩側(cè)的孔間區(qū)域可以形成類似于沖擊的流動結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)使得相應(yīng)區(qū)域的邊界層厚度減薄，從而增強該區(qū)域的對流換熱強度，因而強換熱區(qū)基本位于旋轉(zhuǎn)渦的正下方。同時，在2對轉(zhuǎn)渦內(nèi)部中心區(qū)域，形成了與沖擊相反的流動結(jié)構(gòu)，這種流動結(jié)構(gòu)會減小壁面附近的速度梯度，從而使得邊界層厚度增加，削弱對流換熱強度，這種現(xiàn)象只有在射流速度較低或相鄰對轉(zhuǎn)渦比較接近的時候，才會對換熱產(chǎn)生明顯影響。

吹風(fēng)比為0．5，ReDh＝50 000條件下，高換熱區(qū)域向橫流流動方向偏斜，在X／D＞8后，分成2個區(qū)域，其中，＋Y側(cè)區(qū)域換熱系數(shù)迅速下降，而另一區(qū)域換熱系數(shù)下降則相對較緩。這說明此條件下氣膜孔出口射流與主流相互摻混，形成的2個對轉(zhuǎn)漩渦強度不對等。橫流ReDh＝100 000條件下，高換熱系數(shù)區(qū)域偏斜非常嚴(yán)重，而且下游也沒有分成2個區(qū)域，說明這種情況下對轉(zhuǎn)渦的強度非常不對等。

吹風(fēng)比為1，ReDh＝50 000條件下，高換熱系數(shù)區(qū)域沒有向＋Y側(cè)偏斜，下游高換熱系數(shù)也分成2個區(qū)域。2個區(qū)域中間的低換熱系數(shù)區(qū)域非常明顯，越往下游越低。橫流ReDh＝100 000條件下，高換熱區(qū)域仍只有1個，而且這部分換熱系數(shù)非常高。

吹風(fēng)比為2，ReDh＝50 000條件下，換熱系數(shù)分布基本對稱，說明在該工況下橫流作用不明顯（氣膜孔抽吸作用相對橫流作用很強，橫流作用因而顯現(xiàn)不出來）。但是ReDh＝100 000條件下，出現(xiàn)了不對稱的高換熱系數(shù)分布，而且－Y側(cè)換熱系數(shù)值非常高。

ReDh＝50 000條件下，氣膜孔出口下游均出現(xiàn)了2個高換熱系數(shù)區(qū)域，隨著吹風(fēng)比的增加，橫流的作用相對減弱，2個高換熱系數(shù)區(qū)域差別減小。ReDh＝100 000條件下，吹風(fēng)比為0．5和1時，均只有1個高換熱系數(shù)區(qū)域（此時橫流的影響相對較強），而吹風(fēng)比為2時才出現(xiàn)了2個不對稱的高換熱系數(shù)區(qū)域。

從換熱系數(shù)比展向平均曲線可以看出，橫流雷諾數(shù)增加，下游表面換熱系數(shù)增強；吹風(fēng)比增大，表面換熱系數(shù)增強。

2．3 流量系數(shù)

不同橫流雷諾數(shù)條件下氣膜孔的流量系數(shù)結(jié)果如圖6所示。由圖6可以看出，隨著吹風(fēng)比的增大，流量系數(shù)增加；而隨著橫流Re的增大，流量系數(shù)下降。內(nèi)部橫流的影響主要是改變了氣膜孔進(jìn)口速度分布，但是氣流在氣膜孔內(nèi)流動會在一定程度上削弱橫流的影響，吹風(fēng)比增大，氣膜孔抽吸作用增強，內(nèi)部橫流的影響相對越弱。

圖6 氣膜孔流量系數(shù)分布曲線

3 結(jié)束語

研究了二次流通道內(nèi)部橫流對外部氣膜冷卻特性的影響。通過以上分析，可以得到如下結(jié)論：

a．內(nèi)部橫流使得氣膜孔下游表面冷卻效率和換熱系數(shù)分布產(chǎn)生偏斜。

b．吹風(fēng)比為0．5時，小橫流條件下氣膜冷卻效率高于大橫流條件；隨著吹風(fēng)比的增加，增強內(nèi)部橫流反而增強了下游氣膜冷卻效率，尤其是在吹風(fēng)比為2時，展向平均冷卻效率提高了約180%。

c．橫流雷諾數(shù)增加，下游表面換熱系數(shù)增強；吹風(fēng)比增大，表面換熱系數(shù)增強。

d．橫流增強，氣膜孔流量系數(shù)降低。吹風(fēng)比增大，流量系數(shù)增大。

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