具有复合角的多斜孔板流量系数研究

曹宗华，何跃龙

(中国燃气涡轮研究院，四川成都610500)

1 引言

具有复合角的多斜孔全气膜冷却是航空发动机燃烧室火焰筒冷却结构之一，具有冷却气量少、冷却效率高的特点，其流量系数是设计这种冷却方式的必要数据。目前，小孔孔长、孔倾角、孔偏角等参数对流量系数的影响已有不少研究[1，2]，但针对同时具有孔偏角和孔倾角的小孔流量系数的研究还较少。国内方韧等[3]试验研究了结构参数对多斜孔板流量系数的影响，得出孔的排布方式、孔长度、孔倾角和孔偏角对流量系数的影响较大。国外Gritsch等[4]研究了多个参数对单个孔径为10 mm、具有复合角的多斜孔板流量系数的影响，指出主次流压比增大会增大流量系数，孔倾角和孔偏角增大会加大小孔进口处的损失，使得流量系数减小。以上研究对象的孔径都比全气膜冷却方式的孔径(直径0.5～1.0 mm)大，且试验均在主次流温度相同的条件下进行，没有考虑传热对多斜孔板流量系数的影响。针对上述不足，本文通过试验方法研究在主次流温度不同的环境下，几何参数和气动参数对具有复合角的多斜孔板流量系数的影响，为航空发动机燃烧室冷却设计提供支持，提高空气流量分配计算精度。

2 试验设备、试验件及试验状态

2.1 试验设备

图1为试验设备示意图。空气经两台鼓风机进入厂房后分为主流和次流两路，主流经气动薄膜阀、流量喷嘴、直接加温器后进入试验段；次流经气动薄膜阀和流量喷嘴后不加温直接进入试验段，再通过多斜孔板上大量的冷却小孔汇入主流，与主流一起通过气动薄膜阀排出。主、次流流量分别由流量喷嘴测量，温度分别由3支和2支热电偶测量，压力各由2支静压测量耙测量。

2.2 试验件

具有复合角的多斜孔板试验件结构示意图见图2(图中，p/d为展向无量纲孔排间距，s/d为轴向无量纲孔排间距，α为小孔倾角，β为小孔偏角，t为孔板厚，d为小孔直径)，结构参数见表1。小孔直径均在0.5～0.9 mm范围内。

表1 不同结构的多斜孔板几何参数Table 1 Geometric parameters of different multi-hole plate

2.3 试验状态参数

由于现有燃烧室的主次流温比在1.5～2.5范围内，火焰筒内主流马赫数在0.1左右，故本试验主要录取了主次流温比E为1.5、2.0和2.5，主流马赫数Ma为 0.05、0.10和 0.15，相对压比Pc/Pm为 1.02～1.18(Pc为次流总压，Pm为主流总压)试验条件下，多斜孔板试验件的流量系数。

2.4 流量系数和孔内流动雷诺数的定义

流量系数Cd定义为单位时间内实际流过多孔板试验件的气体流量与理论流量之比，可由下式计算求得[5]：

孔内流动雷诺数Red定义为：

式中：υ为冷却气运动粘度。

3 试验结果分析

3.1 孔内流动雷诺数的影响

在Ma为0.1、E为2.5条件下，试验所得流量系数随孔内流动雷诺数的变化曲线如图3所示。从图中可以看出，在试验范围内，2#、3#、4#多斜孔板的Cd变化不大；1#、5#、6#、7#、10#多斜孔板的Cd与Red成线性关系；8#、9#多斜孔板，当Red较小时，Cd与Red成线性关系，随着Red的增大，Cd变化不大。由此可见，对于大多数多斜孔板，当Red＜4 000时，多斜孔板的Cd与Red呈线性关系；当Red＞5 000时，Cd变化不大。为便于工程应用，将不同结构的多斜孔板试验件的流量系数与孔内流动雷诺数的关系式进行拟合，见表2。

表2 试验件Cd与Red的关系式Table 2 The equation betweenCdandRed

3.2 孔倾角的影响

图4所示为不同孔倾角下孔板流量系数的比较。从图中看出，相同条件下α=40°时的Cd最大，α=30°时的Cd其次，α=50°时的Cd最小。这是两方面因素共同作用的结果：一方面α越小，气流进入冷却小孔更接近于总压进气，这会增大孔板的Cd；另一方面，α越小，气流流过的路径增加，使得沿程的流动损失增加，又会减小孔板的Cd。

3.3 孔偏角的影响

在其它几何参数都相同的情况下，只考虑孔偏角对流量系数的影响，结果如图5所示。从图中可以看出，β＝25°时的Cd最大，β＝40°和β＝55°时的Cd基本相当。这是因为当β＜40°时，随着β的增加，小孔射流与主流的掺混损失随之增加，从而导致Cd减小；当β＞40°时，β的改变对Cd的影响很小。

3.4 板厚的影响

板厚对流量系数的影响如图6所示。从图中看出，Cd随t的增加而减小。当t/d=3.5和4.2时，其Cd较t/d=3.0时分别减小了3.97%和7.44%。这是因为随着t的增加，孔的长径比和换热面积也随之增加，气流沿程流动损失加大，热交换变强，热阻增加，使得机械能损失增加，从而导致Cd减小。

3.5 主次流温比的影响

图7示出了主次流温比对1#和3#多斜孔板流量系数的影响。从图中看，1#和3#试验件的Cd都随E的增加而减小，E=2.5时的Cd较E=1.5时分别减少7.4%和6.0%。这是因为随着E的增大，高温气体向孔板的传热变多，从而增加了孔板向孔内冷却气的传热量，导致热阻增加，机械能损失增加，故Cd变小。可见，主次流温比对多斜孔板流量系数有较大影响。

3.6 主流马赫数的影响

图8示出了主流马赫数对1#、3#多斜孔板流量系数的影响。从图中看出，Cd随Ma的增大而增加，这是因为Ma增大对冷却小孔出口气流起到了强化引射的作用。

4 结论

(1)孔内流动雷诺数小于4 000时，流量系数与雷诺数呈线性关系；孔内流动雷诺数大于5 000时，流量系数变化不大。

(2)孔偏角小于40°时，流量系数随偏角的增大而减小；孔偏角大于40°时，偏角的改变对流量系数影响不大。

(3)流量系数随板厚及主次流温比的增大而减小，孔内换热量对多斜孔板流量系数的影响较大。

(4)流量系数随主流马赫数的增大而增加。

[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 韧，林宇震，李 彬，等.燃烧室多斜孔壁流量系数研究[J].航空动力学报，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]张树林，王洪斌.多斜孔板气膜冷却性能试验研究[J].航空发动机，2005，31(3)：23—26.