黃 康, 王紅彪, 黃 輝, 馬護(hù)生, 宗有海

(中國空氣動力研究與發(fā)展中心 高速空氣動力研究所, 四川 綿陽 621000)

0 引 言

目前，先進(jìn)航空發(fā)動機(jī)的渦輪前燃?xì)鉁囟纫迅哌_(dá)2000K以上[1-2]，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過耐高溫金屬材料的可承受溫度。為確保發(fā)動機(jī)安全運(yùn)行，必須采用有效的冷卻措施對熱端部件加以保護(hù)，使其免受高溫腐蝕或損傷[3]。

在航空發(fā)動機(jī)熱端部件冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，氣膜冷卻得到了廣泛應(yīng)用，如燃燒室、渦輪靜葉、渦輪動葉、渦輪端壁和加力燃燒室等處[4]。在渦輪部件上主要采用離散孔氣膜冷卻的方式，其工作原理是高壓冷卻氣通過離散孔匯入主流燃?xì)?，冷卻氣在主流燃?xì)獾膲毫湍Σ亮ψ饔孟孪蛳掠螐澢诟邷乇诿嫘纬梢粚永錃饽?，以保護(hù)射流區(qū)域和下游區(qū)域的表面免受高溫直接熱侵蝕。由于氣膜冷卻需要消耗大量的高壓空氣，對整機(jī)性能帶來了一些負(fù)面影響。因此，進(jìn)一步提高氣膜冷卻效率、減少冷卻氣消耗量是傳熱冷卻研究人員不懈追求的目標(biāo)之一。

為了進(jìn)一步提高氣膜冷卻效率，國內(nèi)外學(xué)者開展了大量的研究工作。Goldstein[5]、Okita[6]、Kusterer[7]和Heidmann等[8]的研究表明，氣膜冷卻出口孔型的優(yōu)化設(shè)計(jì)是提高氣膜冷卻效率的有效途徑之一。

通過對不同孔型的氣膜冷卻機(jī)理進(jìn)行分析，提出一種漸擴(kuò)后傾肩臂孔的氣膜冷卻孔型，并采用壓力敏感漆(PSP)實(shí)驗(yàn)技術(shù)，對該孔型在不同吹風(fēng)比和密度比條件下的氣膜冷卻性能，以及同等條件下的圓孔、肩臂孔性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。

1 孔型結(jié)構(gòu)簡介

本文所研究的孔型包括：圓孔、肩臂孔和漸擴(kuò)后傾肩臂孔，孔型結(jié)構(gòu)如圖1所示。肩臂孔是美國NASA的Heidmann等[8]提出的一種反腎形渦孔型，由一個(gè)主孔(大圓孔)和兩個(gè)側(cè)孔(小圓孔)組成，主孔直徑是側(cè)孔直徑的2倍。通過前期數(shù)值計(jì)算分析發(fā)現(xiàn)：由于側(cè)孔與主流流線方向夾角較大，當(dāng)吹風(fēng)比增大時(shí)，側(cè)孔冷卻氣易脫離壁面。因此，將側(cè)孔的中心平面向后傾，與主孔中心平面成10°夾角，且將主孔變更為擴(kuò)張角5°的漸擴(kuò)孔，構(gòu)成漸擴(kuò)后傾肩臂孔孔型。為了保證3種孔型的幾何流通面積一致，圓孔的入射角為30°，肩臂孔和漸擴(kuò)后傾肩臂孔的主孔入射角也為30°，三種孔型的入口直徑D均為3mm。肩臂孔和漸擴(kuò)后傾肩臂孔的小孔直徑d為1.5mm。

圖1 不同氣膜孔通道結(jié)構(gòu)幾何示意圖

Fig.1Geometricsketchofthechannelstructurefordifferentgasfilmholes

2 PSP技術(shù)原理及實(shí)驗(yàn)工況

2.1 PSP測量氣膜冷卻效率技術(shù)

本文使用PSP技術(shù)測量得到氣膜冷卻效率實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。PSP技術(shù)因其精度較高、穩(wěn)定性和可重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn),在國外氣膜冷卻研究中被廣泛應(yīng)用[9-11]。該技術(shù)主要是運(yùn)用PSP的氧猝熄特性：當(dāng)PSP被特定波長的入射光(本文使用480nm波長的LED光源)激發(fā)后，PSP分子由基態(tài)遷躍到激發(fā)態(tài)能級，而后激發(fā)態(tài)分子輻射熒光釋放多余能量回到基態(tài)，發(fā)出紅光(波長620～760nm)；在激發(fā)過程中，如果激發(fā)態(tài)分子受到氧分子碰撞，則會將能量傳遞給氧分子，不發(fā)出光線。因此，激發(fā)光強(qiáng)度與實(shí)驗(yàn)環(huán)境的氧氣分壓成反比。

依據(jù)傳熱傳質(zhì)類比原理，可以運(yùn)用相似的傳質(zhì)過程來模擬氣膜冷卻傳熱過程。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，基于傳熱傳質(zhì)類比方法所得到的氣膜冷卻效率值與基于溫度測量的方法所得結(jié)果非常接近[12]。采用PSP技術(shù)時(shí)，相似的傳質(zhì)過程要求冷卻射流氣體為高純度不含氧分子的氣體，且主流和冷卻氣的溫度要近似相等。在傳熱傳質(zhì)類比的情況下，氣膜冷卻效率η的計(jì)算公式可表示為[13-15]:

(1)

式中，Tg、Tc、Taw分別是主流的溫度、冷卻射流溫度、壁面絕熱溫度；Cg、Cmix、Cc分別是主流、壁面附近以及射流中的氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

實(shí)驗(yàn)中，冷卻射流采用高純度氮?dú)饣蚨趸?，冷卻射流中的氧氣質(zhì)量濃度約等于0。由此可得：

(2)

(3)

用C表示質(zhì)量濃度，N表示體積濃度，M表示物質(zhì)相對分子量；下標(biāo)air表示空氣，mix表示當(dāng)?shù)氐幕旌蠚怏w，c表示冷卻氣體，則:

Mmix=(Nc)mixMc+(Nair)mixMair

(4)

其中：

(5)

將式(4)代入式(3)中，可得:

(6)

將式(5)代入式(6)中，可得:

(7)

即:

(8)

當(dāng)采用氮?dú)馍淞鲿r(shí)，Mc=MN2=28,Mair=29，密度比DR=0.97，可以得到用氮?dú)膺M(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)的測量原理公式為:

(9)

式中，P表示分壓。當(dāng)采用二氧化碳射流時(shí)，Mc=MCO2=44,Mair=29，密度比DR=1.52，可以得到用二氧化碳進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)的測量原理公式為:

(10)

由式(9)和式(10)可知，為了計(jì)算得到絕熱氣膜冷卻效率值，在PSP實(shí)驗(yàn)過程中需要得到無氧氣工質(zhì)射流和空氣射流兩種情形下的氧分壓。

2.2 實(shí)驗(yàn)過程及PSP標(biāo)定

在實(shí)驗(yàn)過程中，用高靈敏度CCD相機(jī)采集激發(fā)光強(qiáng)度。由于其他波段的光譜可能干擾實(shí)驗(yàn)結(jié)果，所以在CCD相機(jī)鏡頭前加裝濾光片，只讓紅光通過。實(shí)驗(yàn)過程中需要4幅影像：第1幅采集無激發(fā)光、無流動的黑色影像，所得光強(qiáng)用Ib表示；第2幅采集有激發(fā)光、無流動的參考影像，表征在環(huán)境大氣中的激發(fā)光強(qiáng)，光強(qiáng)用Iref表示；第3幅為有主流、有激發(fā)光、空氣噴射的影像；第4幅為有主流、有激發(fā)光、有氮?dú)饣蚨趸紘娚涞挠跋?。這些圖像被保存為包含各點(diǎn)光強(qiáng)值的16位灰度圖片文件。第1幅用來去除環(huán)境中其他光源的影響，第2幅作為參照，與第3幅和第4幅圖像形成比值，再由標(biāo)定實(shí)驗(yàn)得到的光強(qiáng)參比值與壓力參比值的關(guān)系曲線，即可獲得氣膜冷卻效率。

(11)

標(biāo)定過程在標(biāo)定系統(tǒng)的密閉腔室內(nèi)進(jìn)行，如圖2所示。標(biāo)定板為一個(gè)50mm×50mm的銅塊，正面噴涂PSP，背面以加熱膜加熱到所需標(biāo)定溫度。標(biāo)定過程中，通過調(diào)節(jié)腔室內(nèi)真空度和標(biāo)定板溫度，得到不同溫度下的壓力-光強(qiáng)的校準(zhǔn)曲線，如圖3所示。圖中橫坐標(biāo)P/P0是指腔室內(nèi)壓力與1個(gè)大氣壓的比值，縱坐標(biāo)I0/I是指在1個(gè)大氣壓下的光強(qiáng)值與腔室壓力下拍攝得到的光強(qiáng)的比值。由圖3可知，在本文的標(biāo)定溫度范圍內(nèi)，PSP對溫度的敏感度較低，保持了較好的穩(wěn)定性。

圖2 PSP標(biāo)定系統(tǒng)

圖3 PSP標(biāo)定曲線

2.3 實(shí)驗(yàn)工況及參數(shù)定義

實(shí)驗(yàn)研究的吹風(fēng)比Br包括0.5、1.0、1.5和2等四種工況，密度比DR包括1.0和1.5兩種工況。吹風(fēng)比Br的定義為[16-18]:

(12)

式中，ρ∞,u∞分別表示主流的密度和速度；ρc,uc分別表示射流的密度和速度。

在進(jìn)行各方案冷卻性能對比時(shí)，還用到了展向平均絕熱氣膜冷卻效率作為評定氣膜冷卻效果的主要參數(shù)，假設(shè)展向(垂直于主流流線方向)為y方向，其寬度為s，展向平均絕熱氣膜冷卻效率定義為[19-25]:

(13)

本文展向?qū)挾萻取值為冷卻氣入口孔徑的3倍。

3 實(shí)驗(yàn)臺簡介及實(shí)驗(yàn)方法驗(yàn)證

3.1 實(shí)驗(yàn)臺簡介

漸擴(kuò)后傾肩臂孔、肩臂孔和圓孔的氣膜冷卻特性實(shí)驗(yàn)在清華大學(xué)的平板氣膜冷卻實(shí)驗(yàn)臺上進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)臺如圖4所示。主流氣體由一臺11kW的風(fēng)機(jī)提供，然后經(jīng)整流段、收縮段和湍流發(fā)生段進(jìn)入實(shí)驗(yàn)段。主流中采用熱線風(fēng)速儀和熱電偶測量主流速度、湍流度和靜溫。主流的速度、湍流度和靜溫分別為30m/s，5%，290K。

圖4 平板氣膜冷卻實(shí)驗(yàn)臺照片

冷卻射流由空氣、氮?dú)夂投趸嫉雀邏簹馄孔鳛闅庠?，可互相切換。根據(jù)相應(yīng)實(shí)驗(yàn)工況，由氣體質(zhì)量流量控制器控制流量。另外，為了消除溫度對壓力敏感漆測試結(jié)果的影響，由加熱器控制射流溫度，使它與主流間的溫差控制在0.5K之內(nèi)。

為了便于進(jìn)行光學(xué)測量，實(shí)驗(yàn)段由有機(jī)玻璃制成，主流通道的截面尺寸160mm×160mm，射流空腔尺寸100mm×100mm。如圖5所示，平板實(shí)驗(yàn)件夾在主流通道和射流空腔之間，以玻璃膠實(shí)現(xiàn)密封粘接。在平板實(shí)驗(yàn)件上噴涂壓力敏感漆，是實(shí)驗(yàn)中的數(shù)據(jù)采集區(qū)域。

3.2 實(shí)驗(yàn)方法有效性驗(yàn)證

為檢驗(yàn)本文實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的有效性，在開展研究之前，采用單排圓孔、Br=0.5工況、展向?qū)挾葹?倍孔徑的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，與實(shí)驗(yàn)工況相近的文獻(xiàn)[16-17]的研究結(jié)果進(jìn)行對比，圖6為對比結(jié)果。從圖中可以看出：本文實(shí)驗(yàn)與文獻(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果趨勢吻合度較好。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的細(xì)微偏差主要是由于本文的實(shí)驗(yàn)工況與文獻(xiàn)[16-17]不完全一致導(dǎo)致的，如文獻(xiàn)[16]的密度比為1.46、長徑比為4.6、入射角為35°，文獻(xiàn)[17]的密度比為1.7、長徑比為3.3、入射角為30°，而本文的密度比為1.52、長徑比為4、入射角為30°。對比結(jié)果說明本文實(shí)驗(yàn)測量系統(tǒng)和方法有效可行。

圖5 安裝好的平板實(shí)驗(yàn)件照片

圖6 與經(jīng)典實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 漸擴(kuò)后傾肩臂孔與圓孔、肩臂孔的實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較

圓孔是目前國內(nèi)外研究比較成熟的氣膜冷卻孔型，也是最早應(yīng)用于現(xiàn)代燃?xì)廨啓C(jī)氣膜冷卻實(shí)際設(shè)計(jì)中的經(jīng)典孔型。另外，漸擴(kuò)后傾肩臂孔是在肩臂孔基礎(chǔ)上的改進(jìn)孔型，因此，以圓孔、肩臂孔這兩種孔型作為參照，分析比較漸擴(kuò)后傾肩臂孔的氣膜冷卻效果。

圖7(a)和(b)為密度比1.0、吹風(fēng)比分別為0.5和1.0時(shí)，圓孔、肩臂孔和漸擴(kuò)后傾肩臂孔的展向平均氣膜冷卻效率對比圖。由圖可知：在兩種吹風(fēng)比下，漸擴(kuò)后傾肩臂孔的展向平均氣膜冷卻效率都優(yōu)于圓孔和肩臂孔，且吹風(fēng)比越大優(yōu)勢越明顯；吹風(fēng)比由0.5增大到1.0，肩臂孔的展向平均氣膜冷卻效率變化不大，而圓孔則出現(xiàn)明顯下降。

為進(jìn)一步分析圓孔、肩臂孔和漸擴(kuò)后傾肩臂孔的氣膜冷卻性能，對比了3種孔型在不同吹風(fēng)比下的氣膜冷卻效率分布，如圖8所示。由圖可知：(1) 隨著吹風(fēng)比增大，在距離出口x=5D附近，圓孔的氣膜冷卻效率急劇減小；(2) 圓孔沿展向兩孔之間的區(qū)域是氣膜冷卻的盲區(qū)，吹風(fēng)比越大，盲區(qū)面積越大；(3) 肩臂孔的側(cè)向小孔有抑制主孔射流脫離壁面的作用，因此相對于圓孔而言，肩臂孔的氣膜冷卻效率更高，但由于肩臂孔的兩側(cè)小孔與主流流向夾角太大，使得小孔射流所形成的氣膜較易吹離壁面；(4) 漸擴(kuò)后傾肩臂孔由于其特殊的孔型布置方式，使其既保持了減緩主流空氣膜分離的優(yōu)點(diǎn)，又具有使兩側(cè)小孔所形成氣膜覆蓋面積增大的優(yōu)點(diǎn)。因此，在吹風(fēng)比0.5和1.0時(shí)，漸擴(kuò)后傾肩臂孔均沒有明顯的分離現(xiàn)象，冷卻射流很好地覆蓋了孔與孔之間的氣膜冷卻盲區(qū)，得到了較好的氣膜冷卻效果。

(a) Br=0.5

(b) Br=1.0

Fig.7Comparisonofspanwiseaveragefilmcoolingefficiencywithdifferentholegeometries

圖8 不同孔型的氣膜冷卻效率分布云圖

Fig.8Distributionofgasfilmcoolingefficiencywithdifferentholegeometries

4.2 吹風(fēng)比和密度比對漸擴(kuò)后傾肩臂孔氣膜冷卻效率的影響

圖9(a)為密度比1.0時(shí)，不同吹風(fēng)比下漸擴(kuò)后傾肩臂孔的展向平均氣膜冷卻效率對比圖。由圖可知：在x<15D之前，隨著吹風(fēng)比的增大，漸擴(kuò)后傾肩臂孔的展向平均氣膜冷卻效率呈單調(diào)減小的趨勢；在x>15D之后，隨著吹風(fēng)比的增大，展向平均氣膜冷卻效率值先增大、后減小，Br=1.0時(shí)略大于Br=0.5時(shí)的值。

圖9(b)為密度比1.5，吹風(fēng)比分別為0.5、1.0、1.5和2.0時(shí)的漸擴(kuò)后傾肩臂孔展向氣膜冷卻效率對比圖。由圖可知：在x<12D之前，漸擴(kuò)后傾肩臂孔的展向平均氣膜冷卻效率值在Br=1.0時(shí)最大，Br=1.5時(shí)略大于Br=0.5時(shí)的值，Br=2.0時(shí)最低；在x>12D之后，Br=1.0和Br=1.5時(shí)的值相差不大，且大于Br=2.0時(shí)的值，Br=0.5時(shí)展向平均氣膜冷卻效率值最低。

(a) DR=1.0

(b) DR=1.5

Fig.9Effectofblowingratioanddensityratioonspanwiseaveragefilmcoolingefficiency

圖10為密度比DR分別為1.0和1.5、吹風(fēng)比Br為0.5、1.0、1.5、2.0時(shí)的漸擴(kuò)后傾肩臂孔氣膜冷卻效率分布云圖。由圖可知：在Br=0.5和1.0時(shí)，隨密度比的增大，氣膜的展向覆蓋面積變寬，而沿流線方向的覆蓋面積變窄。分析認(rèn)為，隨著密度比的變化，氣膜孔下游氣膜冷卻效率分布發(fā)生變化的原因主要是：(1) 密度比增大，使得冷卻氣與主流之間存在密度差，所以冷卻氣有沿展向運(yùn)動的趨勢；(2) 吹風(fēng)比相同時(shí)，密度比增大，使冷卻氣出口速度變小，在氣膜孔附近冷卻氣吹離壁面的能力減弱。這兩方面的共同作用，使得密度比分別為1.0和1.5時(shí)，隨著吹風(fēng)比的變化，漸擴(kuò)后傾肩臂孔的展向平均氣膜冷卻效率變化趨勢有所不同。

圖10 不同吹風(fēng)比和密度比方案的氣膜冷卻效率分布云圖

Fig.10Distributionoffilmcoolingefficiencyfordifferentblowingratiosanddensityratios

5 結(jié) 論

針對漸擴(kuò)后傾肩臂孔的實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明：

(1) 漸擴(kuò)后傾肩臂孔氣膜冷卻效果整體優(yōu)于同等條件下的圓孔和肩臂孔，而且吹風(fēng)比越大，優(yōu)勢就越明顯。

(2) 漸擴(kuò)后傾肩臂孔可以獲得比圓孔、肩臂孔更均勻一致的氣膜冷卻效率分布，減小被冷卻壁面的區(qū)域溫差，從而減小被冷卻壁面的熱應(yīng)力，有利于延長熱防護(hù)件的壽命。

(3) 相同吹風(fēng)比條件下，密度比不同時(shí)，冷卻氣的展向運(yùn)動趨勢和冷卻氣出口速度變化二者的共同作用，使得漸擴(kuò)后傾肩臂孔的氣膜冷卻效率分布發(fā)生改變。

致謝:感謝清華大學(xué)熱能工程系任靜教授、王浪、秦晏旻等為本文實(shí)驗(yàn)研究提供的幫助。