旋转数对凸表面气膜冷却影响的实验分析

　　气膜冷却是将一股冷却空气从内部通过离散孔或缝槽喷出到需要保护的高温固体表面,使该表面附着一层冷却剂薄膜,以保护气膜孔附近及其下游区域.气膜冷却是一个复杂的流体掺混过程,气膜的出流会使主流的流场以及主流与固体壁面之间的换热发生剧烈的变化.因此,深入研究气膜冷却的掺混机理及影响因素具有十分重要的意义.文献[1]总结了2004年以前有关航空发动机涡轮叶片气膜冷却的研究成果.

　　对于涡轮叶片气膜冷却,表面曲率是影响气膜冷却效果的重要因素.为此,国内外学者开展了许多有价值的研究.

　　文献[2]对凸表面气膜冷却的流动及换热进行了详细的实验研究.文献[3]采用简单的平板和圆弧模型对凹凸表面和平表面的气膜冷却进行了数值研究并同文献[4]所作的平板实验结果进行了对比.文献[5]首先采用数值模拟的方法对旋转状态下气膜冷却的轨迹和覆盖区域进行了研究.

　　然而从公开发表的文献可以看出,针对旋转状态下涡轮叶片气膜冷却的研究相对较少,而有关旋转弯曲表面气膜冷却的实验数据更是十分缺乏.为此,本文采用圆弧模型,对不同旋转数下凸表面的气膜冷却效率和换热系数的变化规律进行了详细的实验研究,并采用先进的稳态液晶测温方法得到了旋转状态下的气膜轨迹

　　1　实验装置与测量方法

　　实验在北京航空航天大学航空发动机气动热力重点实验室的多功能旋转外换热实验台上完成.图1为实验台结构示意图.实验台由实验段,动力系统,供气系统及测试系统等部分组成.有关实验台的详细信息可参考文献[6].

　　1—冷气入口;2—旋转测试系统; 3—引电装置; 4—电机; 5—气膜孔;6—实验段; 7—主流入口; 8—CCD相机; 9—主流通道; 10—压气机; 11—阀门; 12—过滤器; 13—稳压箱; 14—流量计;15—主流加热装置.

　　图2为实验件三维示意图,图3为结构示意图.实验采用夹布胶木材料的圆弧模型,气膜孔位于高度方向中心线上,孔径D=4mm,流向倾角30°,展向倾角90°.在气膜孔下游喷涂宽幅液晶测量叶片表面温度场.图4为液晶的标定曲线.由于采用稳态液晶测温技术,实验中为被测试表面提供了充足的稳定时间,使该表面达到近似恒定的温度场.而后采用高像素CCD相机捕捉液晶图片,得到被测试表面的温度分布.实验中其它温度数据均采用铜-康铜热电偶进行测量.为模拟绝热壁面边界条件,实验件背面采用黏贴绝热材料的方法进行绝热处理,同时实验台四周也采取绝热措施以减少热损失对实验的影响.

　　对于换热系数的实验,采用在实验件表面黏贴碳浆加热膜的方法来提供等热流边界条件,碳浆加热膜表面热流密度通过: