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。

［1］ 神家銳，Ireland P T，Wang Z，等．收斂通道內(nèi)氣膜孔及其與矩形肋復(fù)合的強化傳熱［J］．工程熱物理學(xué)報，1992，13（2）：185－190．

［2］ Ekkad S V，Hung Y，Han J C．Detailed heat transfer distributions in two－pass square channels with rib turbulators and bleed holes［J］．International Journal of Heat and Mass Transfer，1998，41（23）：3781－3791．

［3］ Cukurel B，Selcan C，Arts T．Film cooling extraction effects on the areo－thermal characteristics of rib roughened cooling channel flow［R］．ASME Paper GT2012－68680，2012．

［4］ Kim K M，Park S H，Jeon Y H，et al．Heat／mass transfer characteristics in angled ribbed channels with various bleed ratios and rotation numbers［R］．ASME Paper GT2007－27166，2007．

［5］ Jeon Y H，Park S H，Kim K M，et al．Effects of bleed flow on heat／mass transfer in a rotating rib－roughened channel［R］．ASME Paper No．GT2006－91122，2006．

［6］ Kissel H P，Weigand B，von Wolfersdorf J，et al．An

experimental and numerical investigation of the effect of cooling channel crossflow on film cooling performance［R］．ASME Paper No．GT2007－27102，2007．

［7］ 彭 威，姜培學(xué)．冷卻通道內(nèi)流動對氣膜冷卻影響的大渦模擬研究［J］．工程熱物理學(xué)報，2010，31（8）：1359－1362．

［8］ 白江濤，朱惠人，劉存良．內(nèi)通道交錯橫流對氣膜冷卻效率的影響［J］．航空動力學(xué)報，2008，23（8）：1353－1358．

［9］ Gritsch M，Schulz A，Wittig S．Effect of crossflows on the discharge coefficient of film cooling holes with varying angles of inclination and orientation［J］．Journal of Turbomachinery，2001，123（4）：781－787．

［10］ Gritsch M，Saumweber C，Schulz A，et al．Effect of internal coolant crossflow orientation on the discharge coefficient of shaped film－cooling holes［J］．Journal of Turbomachinery，2000，122（1）：146－152．

［11］ Bunker R S，Bailey J C．Film cooling discharge coefficient measurements in a turbulated passage with internal crossflow ［J］．Journal of Turbomachinery，2001，123（4）：774－780．

［12］ Irelang P T，Jones T V．Liquid crystal measurements

of heat transfer and surface shear stress［J］．Measurement Science and Technology，2000，11（7）：969－986．

［13］ 白江濤，朱惠人，劉存良．雙參數(shù)傳熱實驗的液晶瞬態(tài)測量不確定度分析［J］．航空動力學(xué)報，2009，24（9）：1945－1951．

［14］ Walters D K，Leylek J H．A detailed analysis of filmcooling physics Part 1：streamwise injection with cylindrical holes［R］．ASME Paper 97－GT－269，1997．