开孔形状对迷宫冷却结构冷却效率的影响

　　随着涡轮前燃气温度不断提高,燃烧室的工作环境变得极为恶劣。气膜冷却技术是对燃烧室进行冷却保护的重要技术。Mayle等人^[1]和Bazdid-Tehran等人^[2]研究了全覆盖多排孔气膜冷却的冷却效率和换热规律。李军等人^[3]和林宇震等人^[4]分别对多斜孔壁气膜冷却中冷却壁表面和小孔内的对流换热系数分布进行了试验研究,以上研究都是针对圆柱形孔且试验件是单层板。Goldstein等人^[5]曾对几种不同形状喷孔的气膜冷却效率进行了测量。朱惠人^[6]等人针对单排气膜孔形状对孔排下游的冷却影响作了详细的研究,但研究对象是单层板且气膜孔是单排的。目前将气膜孔形状的研究应用到多排气膜孔及多层壁复合冷却结构上的很少。近年来,由于高性能发动机研制的需要,各种新型的冷却结构形式不断出现,燃烧室迷宫复合冷却结构^[7]是一种集冲击、对流换热和近似发散冷却于一身,结构合理,冷却效率高,具有创新性的新型冷却结构。本文主要研究了迷宫复合冷却结构外侧壁三排气膜冷却孔形状对其冷却效率的影响,并针对外侧壁冷却孔流量系数对席壁热侧面冷却效率的影响进行了研究。

　　冷却效率的定义式为

　　式中:Tg为燃气(主流)温度;Tw为层板热侧壁温;Tc为冷气(次流)温度。

　　流量系数的定义式为

　　式中:m²和m₁分别为通过气膜孔的实际二次流流量与在同样压差下的理想二次流流量。

　　1 数值计算方法

　　1.1 物理模型

　　迷宫复合冷却结构火焰筒是由某型航空发动机五段气膜冷却火焰筒改造而成的,每段沿周向均匀分布三块瓦块,整个火焰筒由十五块瓦块构成,每块瓦块由三层壁面(即外侧壁、中间壁和内侧席壁)组成,如图1所示。二股通道的冷却空气首先流过瓦块式迷宫冷却结构的外侧壁,对外侧壁面进行对流换热,然后从壁面后部的三排进气孔进入上冷却通道,直接冲击到中间壁上,对中间壁有很强的冲击冷却换热作用;然后,该冷却空气沿着上冷却通道向前流动,与中间壁上壁面和外侧壁内壁面都有对流换热作用;其后通过中间壁前部的槽缝向下流入下冷却通道,对席壁的前部有冲击冷却作用;最后沿下冷却通道一边向后流动与席壁上表面和中间壁下表面进行对流换热,一边经席壁编织过程中形成的小孔在席壁的外表面形成一层均匀的气毯,对外侧席壁进行保护。

　　由于结构关于XZ平面对称,故仅取其一半采用对称边界条件进行计算。外侧壁上3种孔型如图2所示。簸箕形孔和圆锥形孔均在圆柱形孔的基础上加工而成,圆锥形孔孔口张角为30°,簸箕形孔四面与轴线夹角为15°。各种孔型圆柱部分直径D=2.3mm,三排孔孔排距为4mm,孔间距为6mm,采用叉排排列。考虑到席壁编织过程所形成的小孔与平板多排气膜孔之间冷却效果相同(席壁热伸展性更好),将席壁结构简化成平板多排气膜孔。