具有復(fù)合角的多斜孔板流量系數(shù)研究

曹宗華，何躍龍

(中國燃?xì)鉁u輪研究院，四川成都610500)

1 引言

具有復(fù)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(jié)構(gòu)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(shè)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(nèi)方韌等[3]試驗研究了結(jié)構(gòu)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(fù)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(fù)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(shè)計提供支持，提高空氣流量分配計算精度。

2 試驗設(shè)備、試驗件及試驗狀態(tài)

2.1 試驗設(shè)備

圖1為試驗設(shè)備示意圖?？諝饨?jīng)兩臺鼓風(fēng)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(fù)合角的多斜孔板試驗件結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。小孔直徑均在0.5～0.9 mm范圍內(nèi)。

表1 不同結(jié)構(gòu)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(nèi)，火焰筒內(nèi)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(nèi)流動雷諾數(shù)的定義

流量系數(shù)Cd定義為單位時間內(nèi)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(nèi)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(jié)果分析

3.1 孔內(nèi)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(nèi)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(nèi)，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(guān)系；8#、9#多斜孔板，當(dāng)Red較小時，Cd與Red成線性關(guān)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(dāng)Red＜4 000時，多斜孔板的Cd與Red呈線性關(guān)系；當(dāng)Red＞5 000時，Cd變化不大。為便于工程應(yīng)用，將不同結(jié)構(gòu)的多斜孔板試驗件的流量系數(shù)與孔內(nèi)流動雷諾數(shù)的關(guān)系式進行擬合，見表2。

表2 試驗件Cd與Red的關(guān)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(jié)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(jié)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(dāng)。這是因為當(dāng)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(dǎo)致Cd減小；當(dāng)β＞40°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(dāng)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(dǎo)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(nèi)冷卻氣的傳熱量，導(dǎo)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(jié)論

(1)孔內(nèi)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(guān)系；孔內(nèi)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)隨偏角的增大而減小；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(nèi)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(xué)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.