内部横流对外部气膜冷却特性的影响

骆剑霞，朱惠人，刘存良，贾广森

（西北工业大学动力与能源学院，陕西 西安710072）

0 引言

在现代航空发动机中，涡轮前温度已高于叶片材料的熔点，因而必须采用高效的冷却技术。大多数涡轮叶片冷却方式均为内外综合冷却，包括复杂的内部冷却通道与外部的气膜孔结构。目前，一般研究大多都是针对单独内部冷却或单独外部冷却展开，两者分别有着大量的研究成果。但是关于内外冷却结构之间相互影响的研究比较少。掌握内外流之间的相互影响机理，协调优化内外冷却结构，才能设计出更高效的叶片冷却方式。

内外流之间的相互影响可以分为2部分内容［1－11］，一是关于气膜孔出流对内部流动与换热影响的研究，二是关于内部流动对外部气膜冷却特性影响的研究。在此，分析对比了内部横流对外部气膜冷却特性的影响。

1 研究方法

1．1 实验系统

实验系统结构如图1所示。在系统中，二次流与主流分别由离心风机提供。

主流流入实验台稳定段和收缩段A后，均匀地通过快速加热器，在加热器内得到均匀一致的加热。快速加热器之后还有一段收缩段B，以确保均匀稳定的主流流入实验测量段。实验测量段横截面尺寸为220 mm×80 mm。为了消除加热器对主流边界层带来的影响，在实验测量段入口处一侧的测量板上布置有一刃状劈缝。在气膜孔中心上游140 mm处测得主流湍流度小于1%。

实验通道中布置有5个气膜孔，如图1所示。气膜孔直径D为10 mm，气膜孔长径比L／D＝3，气膜孔孔间距P／D＝4，气膜孔流向倾角α为30°。

二次流流量由通道前后2个孔板流量计控制。二次流通道截面尺寸为70 mm×70 mm。

实验条件：主流进口平均速度约为17 m／s，基于气膜孔直径的进口雷诺数ReD＝10 000；二次流进口平均速度约为23 m／s，基于二次流通道水力直径的进口雷诺数ReDh为50 000和100 000。

实验中气膜孔吹风比为0．5，1．0和2．0。吹风比定义为：

ρc为二次流密度；Uc为二次流孔内平均速度；ρm为主流密度；Um为主流进口平均流速。

坐标轴原点定义为中间气膜孔出口中心，X轴为主流流动方向，Y轴为二次流通道横流流动方向，Z轴为高度方向。

图1 实验系统

1．2 测量方法及误差分析

实验使用窄带液晶测量气膜孔下游壁面上的温度，多次测量求解出表面换热系数和冷却效率。热色液晶测量技术已被广泛应用，关于其原理和方法，参考文献［12］有详细的介绍和分析。参考文献［13］分析了使用瞬态液晶同时测量换热系数和气膜冷却效率实验中的不确定度，参考其研究方法，计算得出实验中冷却效率的不确定度为6．15%～10%，换热系数的不确定度为5%～7．14%。

2 结果与分析

2．1 气膜冷却效率

各表面展向平均气膜冷却效率分布曲线如图2所示。实验测量所得不同条件下表面冷却效率η分布云图如图3所示。图中坐标X／D和Y／D为无量纲距离，其中，X，Y为该位置处横向、展向与气膜孔中心距离，D为气膜孔直径。

图2 气膜孔下游表面展向平均冷却效率分布曲线

图3 气膜孔下游表面冷却效率分布云图

吹风比为0．5时，在不同的内部横流条件下，冷却效率分布均呈现为：高冷却效率区域向＋Y侧偏移，沿流动方向冷却效率逐渐下降。而且内部横流越大，偏斜越严重，气膜展向分布越窄，沿流动方向下降越迅速。内部横流的存在，使得进口气流具有横流方向速度分量。在小吹风比下，气膜孔出流抽吸作用较弱，对横流影响的削弱作用也较弱，横流使得出口射流向横流方向（＋Y方向）偏斜，从而影响了气膜分布，横流越大，这部分影响越明显。由图2可以看出，横流ReDh＝100 000与ReDh＝50 000相比，展向平均冷却效率下降了约20%。

吹风比为1时，气膜孔出流抽吸作用增强，因而横流作用相对减弱。横流的作用使得气膜孔出口＋Y侧射流高度高于－Y侧，因而气膜孔下游－Y侧壁面的冷却效率较高。内部横流越大，射流与主流的掺混作用越强，展向分布越宽，尤其是在靠近气膜孔出口处，展向平均冷却效率提高了50%，沿着流动方向该作用越来越弱。

吹风比为2时，气膜孔射流的Z向分量较大，射流易冲出壁面。在ReDh＝50 000时，射流冲出壁面，冷却效率很低。在ReDh＝100 000时，横流作用增强了气膜孔出口射流与主流的掺混作用，这使得一部分冷气仍能贴附壁面，冷却效率相对较高。与小横流条件对比，大横流条件下展向平均冷却效率提高了约180%。

在各横流条件下，随着吹风比的增加，冷却效率均表现为先增加后下降。

2．2 换热系数

实验测量所得不同条件下表面换热系数（hf／h0）分布云图如图4所示。各表面展向平均换热系数比分布曲线如图5所示。

图4 气膜孔下游表面展向平均换热系数比分布云图

图5 气膜孔下游表面展向平均换热系数比分布曲线

由图4和图5可以看出，不同的横流雷诺数使得气膜孔下游换热系数分布有较大的区别。总体说来，横流的作用使得换热系数分布呈现非对称性，横流Re数越大，非对称性越明显。

根据参考文献［14］，无横流条件下，圆柱型气膜孔出口射流与主流相互作用，形成一对对称分布的外转对转涡。对转涡在射流两侧的孔间区域可以形成类似于冲击的流动结构，该结构使得相应区域的边界层厚度减薄，从而增强该区域的对流换热强度，因而强换热区基本位于旋转涡的正下方。同时，在2对转涡内部中心区域，形成了与冲击相反的流动结构，这种流动结构会减小壁面附近的速度梯度，从而使得边界层厚度增加，削弱对流换热强度，这种现象只有在射流速度较低或相邻对转涡比较接近的时候，才会对换热产生明显影响。

吹风比为0．5，ReDh＝50 000条件下，高换热区域向横流流动方向偏斜，在X／D＞8后，分成2个区域，其中，＋Y侧区域换热系数迅速下降，而另一区域换热系数下降则相对较缓。这说明此条件下气膜孔出口射流与主流相互掺混，形成的2个对转漩涡强度不对等。横流ReDh＝100 000条件下，高换热系数区域偏斜非常严重，而且下游也没有分成2个区域，说明这种情况下对转涡的强度非常不对等。

吹风比为1，ReDh＝50 000条件下，高换热系数区域没有向＋Y侧偏斜，下游高换热系数也分成2个区域。2个区域中间的低换热系数区域非常明显，越往下游越低。横流ReDh＝100 000条件下，高换热区域仍只有1个，而且这部分换热系数非常高。

吹风比为2，ReDh＝50 000条件下，换热系数分布基本对称，说明在该工况下横流作用不明显（气膜孔抽吸作用相对横流作用很强，横流作用因而显现不出来）。但是ReDh＝100 000条件下，出现了不对称的高换热系数分布，而且－Y侧换热系数值非常高。

ReDh＝50 000条件下，气膜孔出口下游均出现了2个高换热系数区域，随着吹风比的增加，横流的作用相对减弱，2个高换热系数区域差别减小。ReDh＝100 000条件下，吹风比为0．5和1时，均只有1个高换热系数区域（此时横流的影响相对较强），而吹风比为2时才出现了2个不对称的高换热系数区域。

从换热系数比展向平均曲线可以看出，横流雷诺数增加，下游表面换热系数增强；吹风比增大，表面换热系数增强。

2．3 流量系数

不同横流雷诺数条件下气膜孔的流量系数结果如图6所示。由图6可以看出，随着吹风比的增大，流量系数增加；而随着横流Re的增大，流量系数下降。内部横流的影响主要是改变了气膜孔进口速度分布，但是气流在气膜孔内流动会在一定程度上削弱横流的影响，吹风比增大，气膜孔抽吸作用增强，内部横流的影响相对越弱。

图6 气膜孔流量系数分布曲线

3 结束语

研究了二次流通道内部横流对外部气膜冷却特性的影响。通过以上分析，可以得到如下结论：

a．内部横流使得气膜孔下游表面冷却效率和换热系数分布产生偏斜。

b．吹风比为0．5时，小横流条件下气膜冷却效率高于大横流条件；随着吹风比的增加，增强内部横流反而增强了下游气膜冷却效率，尤其是在吹风比为2时，展向平均冷却效率提高了约180%。

c．横流雷诺数增加，下游表面换热系数增强；吹风比增大，表面换热系数增强。

d．横流增强，气膜孔流量系数降低。吹风比增大，流量系数增大。

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