淺析氣膜冷卻效率的影響因素

吳冬

摘 ?要：為了提高航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的性能，現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪前入口燃?xì)鉁囟仍絹?lái)越高，給發(fā)動(dòng)機(jī)帶來(lái)一系列問(wèn)題。為了保證渦輪安全正常的工作，必須為渦輪葉片進(jìn)行有效的冷卻。目前航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片上主要采用的冷卻方式是氣膜冷卻，它是一種十分有效的熱防護(hù)措施。本文通過(guò)分析比較國(guó)內(nèi)外傳熱學(xué)者在改善氣膜冷卻效果方面大量的研究，提出了影響氣膜冷卻效果的因素：幾何因素、流動(dòng)狀態(tài)。

關(guān)鍵詞：渦輪葉片;氣膜冷卻;氣膜冷卻效率

1 ?氣膜冷卻概述

氣膜冷卻是由壁面上的噴口噴出一股冷氣流（壓氣機(jī)出口氣流）來(lái)阻隔高溫燃?xì)鈱?duì)壁面加熱的一種十分有效的熱防護(hù)措施[1]，目的是隔熱和保護(hù)工作表面不被高溫燃?xì)飧g，它是航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片上采用的冷卻方式之一，如圖1.1所示。

在工程上，氣膜冷卻效率是氣膜冷卻的一個(gè)重要指標(biāo)，它用來(lái)衡量冷氣流對(duì)壁面保護(hù)效果的好壞，其定義為：

從冷卻效率的定義可知，冷卻效率越高，其被保護(hù)工作表面的溫度就越接近冷氣流溫度，氣膜冷卻效果就越好。

2 ?分析氣膜冷卻效率研究現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)外傳熱學(xué)者在提高氣膜冷卻效率這個(gè)重要指標(biāo)方面做了大量的實(shí)驗(yàn)和理論研究。綜合來(lái)看，常常采用的方法有三個(gè)：一是在被保護(hù)工作表面增加一些特殊結(jié)構(gòu);二是研究新孔型;三是改變其流動(dòng)因素。

（1）在被保護(hù)工作表面增加一些特殊結(jié)構(gòu)

在被保護(hù)工作表面增加一些特殊結(jié)構(gòu)，如給氣膜冷卻孔出口的工作壁面上增加橫向槽[2]和給氣膜冷卻孔上游表面安裝突片等一些特殊結(jié)構(gòu)。分析表明：在氣膜冷卻孔出口增加橫向槽，冷氣流首先在橫向槽內(nèi)擴(kuò)散、減速，使得冷氣貼附在工作壁面，阻隔高溫燃?xì)鈱?duì)工作表面加熱，氣膜冷卻效果也明顯改善;在給氣膜冷卻孔上游表面安裝突片，使得高溫燃?xì)夂诵膮^(qū)遠(yuǎn)離工作壁面，從而避免了與從氣膜孔噴出的冷氣流的劇烈摻混，提高了冷氣有效利用率，使得冷卻效果顯著提高。

（2）研究新孔型

研究新孔型，如發(fā)現(xiàn)了扇形孔、錐形孔、簸箕形孔、雙扇形孔[3]、雙出口孔等，如圖2所示。分析表明：新型氣膜冷卻孔提供了氣膜冷卻和航空動(dòng)力學(xué)方面的優(yōu)勢(shì)，可以通過(guò)減少出口的冷氣流速度，使得冷氣膜很好地附著在葉片表面，提高了冷卻效果，同時(shí)，減少孔口處的回流而增加冷卻效率。

（3）改變其流動(dòng)因素

改變其流動(dòng)因素[4]，如改變主流湍流度，分析表明：湍流度越大，流動(dòng)越混亂，冷氣膜沒(méi)有很好地附著在葉片表面，從而導(dǎo)致與主流摻混劇烈，氣膜冷卻效果降低。因此，氣膜冷卻效率隨湍流度的增大而降低，當(dāng)湍流度較小時(shí)，可獲得高的冷卻效率。

3 ?總結(jié)

通過(guò)分析國(guó)內(nèi)外傳熱學(xué)者在改善氣膜冷卻效果方面大量的研究，以上研究分析得出：提高氣膜冷卻效率的主要措施是提高冷氣流的有效利用率，歸納起來(lái)有兩點(diǎn)：一是幾何因素，如改善氣膜孔及工作壁面的幾何結(jié)構(gòu)等;另一方面是流動(dòng)因素，如流湍流度等。

參考文獻(xiàn)：

[1] 曹玉璋，等.航空發(fā)動(dòng)機(jī)傳熱學(xué)[M].北京：北京航空航天大學(xué)，2005.

[2] 蔣永健，何立明，于錦祿.利用橫向槽改善氣膜冷卻效率的數(shù)值模擬[J].推進(jìn)技術(shù)，2008，29： 286-289，

[3] 廖乃冰，朱惠人，李廣超.雙扇形孔氣膜冷卻效率的研究[J].航空動(dòng)力學(xué)報(bào)，Vol. 2008，23（11）：2082-2087，

[4] Kadotani， K.， and Goldstein， R.J. Effect of Mainstream Variable on Jets Issuing from a Row of Inclined Round Holes[C].ASME Paper No.78-GT-138，1978.