发散冷却模型试验件换热系数试验研究

程波，范珍涔，刘堃，徐华胜

（中国燃气涡轮研究院，成都610500）

发散冷却模型试验件换热系数试验研究

程波，范珍涔，刘堃，徐华胜

（中国燃气涡轮研究院，成都610500）

在模拟航空发动机火焰筒冷却孔相对压降条件下，采用动态法对火焰筒发散冷却模型试验件换热系数进行了测量，并介绍了其试验设备、试验原理及试验过程。通过测量三种单层发散冷却板及与之相配的双层壁发散冷却火焰筒模型试验件的换热系数，得出了主次流相对静压降、冲击高度、开孔率对火焰筒发散冷却性能的影响规律。试验结果同时证实，双层壁发散冷却结构在提高火焰筒冷却性能上具有一定优势。

航空发动机；火焰筒；发散冷却；换热系数；动态法；冲击高度；开孔率

1　引言

火焰筒壁面冷却作为制约高温升燃烧室研制的一大难题，通常采用耐高温材料或/和采用高效冷却技术来解决。前者由于工艺、成本等原因，在我国进展缓慢。后者已从最初的斑孔气膜冷却（如J69、J85等）、机加工气膜（如F404、F110等），发展到现在的全覆盖发散气膜（如GE90）、冲击加气膜和冲击加发散复合冷却结构（如F119、V2500等）［1］。其换热系数的测定是冷却试验的难点，一般包括静态法（热膜法）和动态法。静态法在许多院校中得到充分应用，它在不存在质量交换的冷却结构中的试验效果较好，但对于多孔冷却壁面结构试验误差较大。动态法是通过测量预热到一定温度的冷却结构的壁温随时间的变化曲线，得出冷却结构的综合换热系数。动态法较为新颖，可快速评估复杂系统的冷却性能。

至今，国内外学者已采用动态法对发散冷却结构换热系数开展了一定的试验研究，刘高恩、林宇震对全覆盖气膜结构和冲击加多斜孔结构进行了流量系数、换热系数等的试验研究，并在此基础上编制了一维壁温计算程序［2-3］；王宝官对冲击加气膜冷却结构进行了流量系数、冷却效率的试验研究，并利用动态法测量了冲击加气膜结构的综合换热系数［4］；Andrews等对全覆盖气膜、冲击加发散冷却结构进行了细致深入的试验研究，不仅研究了孔径、孔深、孔间距、冲击高度等对冷却效率的影响，还给出了动态法测量换热系数的原理和一些冷却结构优化设计的经验关系式［5-6］。本文基于动态法对某型燃烧室火焰筒发散冷却结构模型开展试验研究，研究结果对复杂冷却结构的方案设计具有一定的参考意义。

2　试验装置

试验在中国燃气涡轮研究院常压冷却试验设备（图1）及气源上进行。空气通过气源站进入厂房后分为两路，一路为主流燃气，首先经过气动薄膜阀，依次经过流量喷嘴、直接加温器后进入试验段，试验段出口有喷水段、气动薄膜阀和排气口；另一路为次流空气，经过气动薄膜阀和流量喷嘴后不加温直接进入试验段，汇入主流燃气后一齐排出。当主流燃气温度超过500℃时，由空压机引气对试验设备进行冷却［1］。所有试验数据通过一套数采系统采集，并按一定格式存入计算机。

图1　试验设备示意图Fig.1 Scheme of test rig

试验件（图2）由试验壳体、安装座、加温炉、压力及温度测量安装座、试验孔板等组成［1］。试验时主流燃气对试验孔板加温，同时次流空气对试验孔板进行冷却。试验孔板由冲击板（标记为A）、发散板（标记为B）、缝槽垫片、调节垫片等组成。表1给出了冲击板和发散板的开孔规律及标记。

图2　试验件轮廓图Fig.2 Profile of test bed

表1　试验孔板参数及标记Table 1 Parameter and mark of test hole board

3　试验方法

动态法测量换热系数试验，是在预先调好冷却孔板的相对压降后（主流关闭），通过一个三通电磁阀把次流空气导出试验段，然后利用电炉对冷却孔板进行加温；当冷却孔板平均壁温达到一定加热温度Ti时，停止加热并撤出加温炉；再次利用三通电磁阀将次流空气导入试验段，同时开始采集壁温随时间的变化曲线。通过测量冷却孔板壁温随时间的变化规律，整理归纳出冷却孔板的换热系数。表2给出了动态试验的试验工况表（表中Ti为断开电炉时发散板的平均壁温，Dp为主次流相对静压差）。其中试验孔板上的壁温采用直径0.5 mm的铠装K型热电偶测量。

表2　动态试验工况表Table 2 Condition parameter of dynamic test

公式（1）、（2）为动态法测量换热系数的计算公式［6］。试验中发现，按此公式得出的换热系数波动较大，有时甚至为负数。产生这种情况的原因可能是由于测量间隔时间Δt较短（0.33 s左右），以及壁温电偶测量的滞后性及本身误差，使得ΔTw/Δt测量的数据波动较大。本文假定在试验温度变化范围内换热系数为一定值，通过将公式（1）取微分并求解得到公式（3）。试验时通过拟合试验孔板的壁温Tw随时间t的指数关系，即得出冷却结构的换热系数。

式中：Tc为次流空气温度，Δt为试验过程中的间隔时间，Cp、m、ρ、h、δ、Ac分别为冷却试验孔板的比热、质量、密度、焓值、厚度、冷却面积，τ、C1分别为公式（1）、（3）的系数值，。

为了研究试验时间对动态法测量换热系数的影响，对单层冷却孔板B1开展了两次对比试验。图3给出了两次试验（标记为607和608）的试验过程，通过上述方法处理得到的相对换热系数试验结果见图4。可见：尽管两次试验的温度变化差别较大，但相同状态下冷却孔板的换热系数的重合性较好，录取点数及起始温度对该试验方法基本无影响。

图3　动态换热试验过程（方案B1）Fig.3 Dynamic heat transfer test of scheme B1

图4　不同时间试验结果对比Fig.4 Contrast of repeatable test results

4　试验结果与分析

由于试验时不同冷却结构间主次流温度的绝对值存在一定差异，本文没有直接比较冷却孔板的壁温，而是对冷却孔板的换热系数进行比较。影响试验孔板换热系数的因素很多，主要包括状态参数（如主、次流相对压降等）和结构参数（如冲击高度、开孔率等），下面分别加以讨论。

4.1相对压降的影响

图5给出了试验方案（B1、A1B3）发散板相对换热系数，随冷却孔板相对压降的变化曲线。可见，试验孔板的换热系数与冷却效率随相对压降的变化趋势一致，随着相对压降的增加而增大。其原因主要是：随着试验孔板相对压降的增加，通过的冷却流量增大，对流换热量增加，按相同换热温差及相同冷却面积计算的换热系数也会增大；当然，随着冷却流量的增加，对流雷诺数会增大，紊流度也会增加，从而换热系数本身也会增大。

图5　换热系数随相对压降的变化Fig.5 Heat transfer coefficient vs.relative pressure drop

4.2冲击高度的影响

图6给出了不同相对压降下冲击加发散冷却结构（A1B3）发散板的换热系数随冲击高度的变化曲线。可见，同一相对压降下，冷却孔板的换热系数随冲击高度的增大总的变化不大；不同相对压降之间，换热系数随冲击高度的变化趋势存在一定分散，即相对压降较小时换热系数随着冲击高度的增大先增大后减小，相对压降较大时正好相反。原因认为与试验过程中同一相对压降并不严格相等有关。

4.3开孔率的影响

图6冲击高度对相对换热系数的影响
Fig.6 Effect of impingement height on heat transfer coefficient

主要是由于冷却空气流量增加所致；③当冲击板的开孔率接近而发散板的开孔率不同（如试验组合A3B1和A2B3）时，换热系数相差不大。

图7　开孔率对换热系数的影响Fig.7 Effect of the hole area ratio on heat transfer coefficient

5　结论

本文运用动态测量法对典型火焰筒发散冷却孔板的换热系数进行了试验分析，分别从试验状态参数及冷却结构参数两方面得出：

（1）增加了冲击板的射流强化换热作用，双层冷却结构的发散板换热系数较单层冷却结构大幅度增加；

（2）对于设计允许的冲击高度范围，其对发散冷却结构的换热系数影响不大；

（3）冲击孔板开孔率直接影响到冷却空气比例，对冷却结构的换热系数影响较大，但对于冲击孔板开孔率相同而发散板开孔率不同的冷却结构，换热系数相差不大。

［1］程波，刘堃，李彬，等.复合冷却结构冷却效率的试验研究［J］.燃气涡轮试验与研究，2007，20（4）：36—40.

［2］刘高恩.燃烧室多斜孔壁气膜冷却研究总结报告［R］.成都：中国燃气涡轮研究院，1997.

［3］林宇震，刘高恩.冲击加多斜孔双层壁气膜冷却方式研究-实验结果与分析总结报告［R］.成都：中国燃气涡轮研究院，1999.

［4］王宝官.对流冲击气膜冷却流量系数和换热系数的测定和研究［D］.南京：南京航空航天大学，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，FAN 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，四川荣县人，高级工程师，硕士，主要从事燃烧室性能设计及设计体系研究。