發(fā)散冷卻模型試驗件換熱系數(shù)試驗研究

程波，范珍涔，劉堃，徐華勝

（中國燃氣渦輪研究院，成都610500）

發(fā)散冷卻模型試驗件換熱系數(shù)試驗研究

程波，范珍涔，劉堃，徐華勝

（中國燃氣渦輪研究院，成都610500）

在模擬航空發(fā)動機火焰筒冷卻孔相對壓降條件下，采用動態(tài)法對火焰筒發(fā)散冷卻模型試驗件換熱系數(shù)進行了測量，并介紹了其試驗設備、試驗原理及試驗過程。通過測量三種單層發(fā)散冷卻板及與之相配的雙層壁發(fā)散冷卻火焰筒模型試驗件的換熱系數(shù)，得出了主次流相對靜壓降、沖擊高度、開孔率對火焰筒發(fā)散冷卻性能的影響規(guī)律。試驗結(jié)果同時證實，雙層壁發(fā)散冷卻結(jié)構(gòu)在提高火焰筒冷卻性能上具有一定優(yōu)勢。

航空發(fā)動機；火焰筒；發(fā)散冷卻；換熱系數(shù)；動態(tài)法；沖擊高度；開孔率

1　引言

火焰筒壁面冷卻作為制約高溫升燃燒室研制的一大難題，通常采用耐高溫材料或/和采用高效冷卻技術(shù)來解決。前者由于工藝、成本等原因，在我國進展緩慢。后者已從最初的斑孔氣膜冷卻（如J69、J85等）、機加工氣膜（如F404、F110等），發(fā)展到現(xiàn)在的全覆蓋發(fā)散氣膜（如GE90）、沖擊加氣膜和沖擊加發(fā)散復合冷卻結(jié)構(gòu)（如F119、V2500等）［1］。其換熱系數(shù)的測定是冷卻試驗的難點，一般包括靜態(tài)法（熱膜法）和動態(tài)法。靜態(tài)法在許多院校中得到充分應用，它在不存在質(zhì)量交換的冷卻結(jié)構(gòu)中的試驗效果較好，但對于多孔冷卻壁面結(jié)構(gòu)試驗誤差較大。動態(tài)法是通過測量預熱到一定溫度的冷卻結(jié)構(gòu)的壁溫隨時間的變化曲線，得出冷卻結(jié)構(gòu)的綜合換熱系數(shù)。動態(tài)法較為新穎，可快速評估復雜系統(tǒng)的冷卻性能。

至今，國內(nèi)外學者已采用動態(tài)法對發(fā)散冷卻結(jié)構(gòu)換熱系數(shù)開展了一定的試驗研究，劉高恩、林宇震對全覆蓋氣膜結(jié)構(gòu)和沖擊加多斜孔結(jié)構(gòu)進行了流量系數(shù)、換熱系數(shù)等的試驗研究，并在此基礎上編制了一維壁溫計算程序［2-3］；王寶官對沖擊加氣膜冷卻結(jié)構(gòu)進行了流量系數(shù)、冷卻效率的試驗研究，并利用動態(tài)法測量了沖擊加氣膜結(jié)構(gòu)的綜合換熱系數(shù)［4］；Andrews等對全覆蓋氣膜、沖擊加發(fā)散冷卻結(jié)構(gòu)進行了細致深入的試驗研究，不僅研究了孔徑、孔深、孔間距、沖擊高度等對冷卻效率的影響，還給出了動態(tài)法測量換熱系數(shù)的原理和一些冷卻結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計的經(jīng)驗關(guān)系式［5-6］。本文基于動態(tài)法對某型燃燒室火焰筒發(fā)散冷卻結(jié)構(gòu)模型開展試驗研究，研究結(jié)果對復雜冷卻結(jié)構(gòu)的方案設計具有一定的參考意義。

2　試驗裝置

試驗在中國燃氣渦輪研究院常壓冷卻試驗設備（圖1）及氣源上進行。空氣通過氣源站進入廠房后分為兩路，一路為主流燃氣，首先經(jīng)過氣動薄膜閥，依次經(jīng)過流量噴嘴、直接加溫器后進入試驗段，試驗段出口有噴水段、氣動薄膜閥和排氣口；另一路為次流空氣，經(jīng)過氣動薄膜閥和流量噴嘴后不加溫直接進入試驗段，匯入主流燃氣后一齊排出。當主流燃氣溫度超過500℃時，由空壓機引氣對試驗設備進行冷卻［1］。所有試驗數(shù)據(jù)通過一套數(shù)采系統(tǒng)采集，并按一定格式存入計算機。

圖1　試驗設備示意圖Fig.1 Scheme of test rig

試驗件（圖2）由試驗殼體、安裝座、加溫爐、壓力及溫度測量安裝座、試驗孔板等組成［1］。試驗時主流燃氣對試驗孔板加溫，同時次流空氣對試驗孔板進行冷卻。試驗孔板由沖擊板（標記為A）、發(fā)散板（標記為B）、縫槽墊片、調(diào)節(jié)墊片等組成。表1給出了沖擊板和發(fā)散板的開孔規(guī)律及標記。

圖2　試驗件輪廓圖Fig.2 Profile of test bed

表1　試驗孔板參數(shù)及標記Table 1 Parameter and mark of test hole board

3　試驗方法

動態(tài)法測量換熱系數(shù)試驗，是在預先調(diào)好冷卻孔板的相對壓降后（主流關(guān)閉），通過一個三通電磁閥把次流空氣導出試驗段，然后利用電爐對冷卻孔板進行加溫；當冷卻孔板平均壁溫達到一定加熱溫度Ti時，停止加熱并撤出加溫爐；再次利用三通電磁閥將次流空氣導入試驗段，同時開始采集壁溫隨時間的變化曲線。通過測量冷卻孔板壁溫隨時間的變化規(guī)律，整理歸納出冷卻孔板的換熱系數(shù)。表2給出了動態(tài)試驗的試驗工況表（表中Ti為斷開電爐時發(fā)散板的平均壁溫，Dp為主次流相對靜壓差）。其中試驗孔板上的壁溫采用直徑0.5 mm的鎧裝K型熱電偶測量。

表2　動態(tài)試驗工況表Table 2 Condition parameter of dynamic test

公式（1）、（2）為動態(tài)法測量換熱系數(shù)的計算公式［6］。試驗中發(fā)現(xiàn)，按此公式得出的換熱系數(shù)波動較大，有時甚至為負數(shù)。產(chǎn)生這種情況的原因可能是由于測量間隔時間Δt較短（0.33 s左右），以及壁溫電偶測量的滯后性及本身誤差，使得ΔTw/Δt測量的數(shù)據(jù)波動較大。本文假定在試驗溫度變化范圍內(nèi)換熱系數(shù)為一定值，通過將公式（1）取微分并求解得到公式（3）。試驗時通過擬合試驗孔板的壁溫Tw隨時間t的指數(shù)關(guān)系，即得出冷卻結(jié)構(gòu)的換熱系數(shù)。

式中：Tc為次流空氣溫度，Δt為試驗過程中的間隔時間，Cp、m、ρ、h、δ、Ac分別為冷卻試驗孔板的比熱、質(zhì)量、密度、焓值、厚度、冷卻面積，τ、C1分別為公式（1）、（3）的系數(shù)值，。

為了研究試驗時間對動態(tài)法測量換熱系數(shù)的影響，對單層冷卻孔板B1開展了兩次對比試驗。圖3給出了兩次試驗（標記為607和608）的試驗過程，通過上述方法處理得到的相對換熱系數(shù)試驗結(jié)果見圖4?？梢姡罕M管兩次試驗的溫度變化差別較大，但相同狀態(tài)下冷卻孔板的換熱系數(shù)的重合性較好，錄取點數(shù)及起始溫度對該試驗方法基本無影響。

圖3　動態(tài)換熱試驗過程（方案B1）Fig.3 Dynamic heat transfer test of scheme B1

圖4　不同時間試驗結(jié)果對比Fig.4 Contrast of repeatable test results

4　試驗結(jié)果與分析

由于試驗時不同冷卻結(jié)構(gòu)間主次流溫度的絕對值存在一定差異，本文沒有直接比較冷卻孔板的壁溫，而是對冷卻孔板的換熱系數(shù)進行比較。影響試驗孔板換熱系數(shù)的因素很多，主要包括狀態(tài)參數(shù)（如主、次流相對壓降等）和結(jié)構(gòu)參數(shù)（如沖擊高度、開孔率等），下面分別加以討論。

4.1相對壓降的影響

圖5給出了試驗方案（B1、A1B3）發(fā)散板相對換熱系數(shù)，隨冷卻孔板相對壓降的變化曲線?？梢?，試驗孔板的換熱系數(shù)與冷卻效率隨相對壓降的變化趨勢一致，隨著相對壓降的增加而增大。其原因主要是：隨著試驗孔板相對壓降的增加，通過的冷卻流量增大，對流換熱量增加，按相同換熱溫差及相同冷卻面積計算的換熱系數(shù)也會增大；當然，隨著冷卻流量的增加，對流雷諾數(shù)會增大，紊流度也會增加，從而換熱系數(shù)本身也會增大。

圖5　換熱系數(shù)隨相對壓降的變化Fig.5 Heat transfer coefficient vs.relative pressure drop

4.2沖擊高度的影響

圖6給出了不同相對壓降下沖擊加發(fā)散冷卻結(jié)構(gòu)（A1B3）發(fā)散板的換熱系數(shù)隨沖擊高度的變化曲線。可見，同一相對壓降下，冷卻孔板的換熱系數(shù)隨沖擊高度的增大總的變化不大；不同相對壓降之間，換熱系數(shù)隨沖擊高度的變化趨勢存在一定分散，即相對壓降較小時換熱系數(shù)隨著沖擊高度的增大先增大后減小，相對壓降較大時正好相反。原因認為與試驗過程中同一相對壓降并不嚴格相等有關(guān)。

4.3開孔率的影響

圖6沖擊高度對相對換熱系數(shù)的影響
Fig.6 Effect of impingement height on heat transfer coefficient

主要是由于冷卻空氣流量增加所致；③當沖擊板的開孔率接近而發(fā)散板的開孔率不同（如試驗組合A3B1和A2B3）時，換熱系數(shù)相差不大。

圖7　開孔率對換熱系數(shù)的影響Fig.7 Effect of the hole area ratio on heat transfer coefficient

5　結(jié)論

本文運用動態(tài)測量法對典型火焰筒發(fā)散冷卻孔板的換熱系數(shù)進行了試驗分析，分別從試驗狀態(tài)參數(shù)及冷卻結(jié)構(gòu)參數(shù)兩方面得出：

（1）增加了沖擊板的射流強化換熱作用，雙層冷卻結(jié)構(gòu)的發(fā)散板換熱系數(shù)較單層冷卻結(jié)構(gòu)大幅度增加；

（2）對于設計允許的沖擊高度范圍，其對發(fā)散冷卻結(jié)構(gòu)的換熱系數(shù)影響不大；

（3）沖擊孔板開孔率直接影響到冷卻空氣比例，對冷卻結(jié)構(gòu)的換熱系數(shù)影響較大，但對于沖擊孔板開孔率相同而發(fā)散板開孔率不同的冷卻結(jié)構(gòu)，換熱系數(shù)相差不大。

［1］程波，劉堃，李彬，等.復合冷卻結(jié)構(gòu)冷卻效率的試驗研究［J］.燃氣渦輪試驗與研究，2007，20（4）：36—40.

［2］劉高恩.燃燒室多斜孔壁氣膜冷卻研究總結(jié)報告［R］.成都：中國燃氣渦輪研究院，1997.

［3］林宇震，劉高恩.沖擊加多斜孔雙層壁氣膜冷卻方式研究-實驗結(jié)果與分析總結(jié)報告［R］.成都：中國燃氣渦輪研究院，1999.

［4］王寶官.對流沖擊氣膜冷卻流量系數(shù)和換熱系數(shù)的測定和研究［D］.南京：南京航空航天大學，1996.

［5］Andrews G E，Asere A A，Hussain C I，et al.Transpiration and impingement/effusion cooling of gas turbine combustion chambers［R］.ISABE 85-7095，1985.

［6］AlDabagh A M，Andrews G E，Abdul Husain R A A，et al. Impingement/effusion cooling:The influence of the number of impingement holes and pressure loss on the heat transfer coefficient［R］.ASME 89-GT-188，1989.

Experimental investigation of heat transfer coefficient measuring on effusion cooling model samples

CHENG Bo，F(xiàn)AN Zhen-cen，LIU Kun，XU Hua-sheng
（China Gas Turbine Establishment，Chengdu 610500，China）

The test principle，test facility and measuring process of effusion cooling model samples on the condition of simulating the relative pressure drop of combustor liner cooling holes of aero-engine with dynamic method were introduced.After three single-wall effusion cooling boards and the corresponding combustor liner models with double-wall effusion cooling boards were measured for the heat transfer coefficient，the regularities of characteristic parameters on effusion cooling performance were obtained，such as the relative static pressure drop between main and secondary flow，impingement height and hole area ratio parameters.Also it is proved that double-wall effusion cooling construction is prior in the cooling performance of combustor liner.

aero-engine；combustor liner；effusion cooling；heat transfer coefficient；dynamic method；impingement height；hole area ratio

V231.1

A

1672-2620（2015）06-0031-03

2015-01-28；

2015-07-15

程波（1976-），男，四川榮縣人，高級工程師，碩士，主要從事燃燒室性能設計及設計體系研究。