段小瑶 张德宝 张帆 丁有红
中国航发湖南动力机械研究所，湖南 株洲 412002）
摘 要：本文通过平板试验件研究了相同孔径下扩张型、收缩型及直孔的流量系数的差异，并通过数值模拟分析三种类型气膜孔流量系数差异的原因.研究结果表明：不同孔型的气膜孔流量系数差异较大，主要受气膜孔有效流通面积的影响；在节流孔径相同的条件下，收缩型孔的流量系数最大，扩张型孔和直孔的流量系数相当.
关键词：气膜孔 流量系数 数值模拟 试验研究
Study on the Influence of Hole Type on Film Pore Flow Coefficient
Duan Xiaoyao Zhang Debao Zhang Fan Ding Youhong
（AECC HUNAN AVIATION POWERPLANT RESEARCH INSTITUTE， Zhuzhou ，China 412002）
Abstract：This paper studies the difference in flow coefficient of Expanded hole，Shrinkage hole and straight holes through flat test pieces. Research results show that: Discharge coefficient of gas film holes with different passes are quite different. It mainly affected by the effective area of the film hole；Under the same throttle orifice diameter，the discharge coefficient of shrinkage hole is the biggest， the discharge coefficient of the expanded holes and the straight holes are quite the same.
Key words：film hole；discharge coefficient；numerical simulation；experimental investigation
高温升是现代高性能军用航空发动机燃烧室的发展趋势，随着燃烧室温升的提高，火焰筒的冷却问题受到研究者的广泛关注。气膜冷却方式因冷却效果良好且较为经济而广泛应用于现代燃气轮机燃烧室[1]。在燃烧室设计中，要求尽可能准确的获得气膜孔流量系数，从而确定火焰筒的流量分配。
Hay，Burd，Gritsch等[2-4]分别研究了不同气膜孔倾角，不同切向角条件下气膜孔的流量系数。朱惠人、杨卫华等[5-6]实验研究了不同气膜孔形状对流量系数的影响。根据目前气膜孔实际加工情况，由于锥度的存在会造成打孔方向的不同导致气膜孔孔型出现差异，从而导致流量系数出现差异，因此获取孔型对气膜孔流量系数的影响对燃烧室设计及加工具有重要的指导意义。
1 试验方案
平板流量试验段结构如图1所示，试验过程中，空气从左侧管道进口流入试验段，一部分空气直接从直段通道排出形成主流，另一部分空气通过平板试验件上的气膜孔流出形成次流，试验中在次流出口设置一台抽气泵，通过控制抽气泵抽吸试验件下方空气使平板试验件两侧满足压差要求。试验段进口空气流量Wa1采用流量计测量，经过气膜孔的次流空气流量Wa3采用流量计测量，采用单点总压管测量试验段进口空气总压Pt1，采用壁面静压座测量进口空气静压Ps1和气膜孔出口空气静压Ps3。
图1平板流量试验段结构示意图
试验件为方形平板结构，厚度为0.7mm，共加工65个垂直壁面的气膜孔，孔径Фd=1mm，孔间距a=5mm，孔
试验方案如表2所示，三
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个试验方案对应的孔型分别为扩张型孔、收缩型孔及直孔，其中扩张型孔与收缩型孔试验方案为同一试验板正、反向分别进行试验，保证倾角一致，分别按照表1中的试验工况进行流量系数试验。
表2 平板试验件方案
2.1数据处理
对上述试验件进行平板
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流量系数试验，得到各方案下对应的流量系数与压降系数的变化曲线。其中流量系数及压降系数的定义如下：
a)流量系数
冷却气流经气膜孔孔壁时，由于存在进口损失、摩擦损失、出口突扩损失，而导致实际通过小孔气流流量比相同流动情况下的理论流量小，由此引出气膜孔流量系数的定义：
（1）
由于影响实际流量的因素很多，因此实际流量由试验确定，理论流量由连续方程及伯努利方程计算得到。
（2）
气膜孔的流量系数为
（3）
式中：Ps3─次流出口空气静压；
Pt1─进口空气总压；
A2─气膜孔总面积；
ρ2─次流的密度。
b)压降系数
（4）
式中：α─压降系数；
Ps1─进口空气静压。
2.2试验结果分析
图2为扩张型孔、收缩型孔及直孔三种类型气膜孔试验板的流量系数随压降系数的变化曲线，从图中可以看出：三种类型气膜孔试验板的流量系数均随压降系数的增加而增大，并且流量系数增加的趋势也随压降系数的增加而增大，但在相同的压降系数下，收缩型孔试验板的流量系数最大，在压降系数为0.7-0.97范围内，流量系数介于0.57-0.8之间，扩张型孔试验板与直孔试验板的流量系数基本相当，压降系数同样在0.7-0.97范围内时，流量系数介于0.47-0.65之间，在高压降系数下，直孔的流量系数略高于扩张孔，收缩型孔试验板流量系数较扩张型孔及直孔试验板在各个压降系数下平均大18%左右。
图2 不同孔型的气膜孔流量系数对比
由上述试验结果可知：气膜孔流量系数随着压降系数的增加而增大；在相同节流孔径的条件下，收缩型孔的流量系数最大，扩张型孔和直孔相当。
3 数值计算
为分析不同气膜孔孔型之间流量系数的差异，开展了直孔、收缩型孔及扩张型孔3种孔型5个方案流量系数数值模拟，其中5个方案气膜孔的节流孔径均为Φ1mm，孔板厚度与试验一致，小孔几何模型如图3所示。
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图3 不同孔型几何模型示意图
图4中分别给出了不同孔型条件下小孔纵截面压力分布云图、速度分布云图及小孔出口面速度分布云图。由纵截面速度分布云图可知，扩张型孔中的低速区域范围较其他两种类型孔大，即扩张型孔的有效流量面积比其他两种类型孔小；从纵截面压力分布云图可知，扩张型孔下游的高压区域较其他两种类型孔大；由小孔出口面速度分布云图可知，当孔型为收缩型孔时，随着角度的增大，出口面低速区域范围逐渐减小，使得出口面平均速度增大，又因为出口面积不变，因此孔的流通量增加。当孔型为扩张型孔时，随着倾角的增大，出口面低速区域范围逐步增加，导致出口面平均速度降低，又因为出口面积增加，所以孔的流通量变化不大。从图中可知，10°收缩型孔的出口面低速区域范围最小，而10°扩张型孔的出口面低速区域范围最大，直孔介于以上两者之间。
图4 小孔纵截面压力分布云图、速度分布云图以及出口面速度分布云图对比
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表3具体列出了数值计算得到的不同孔型条件下小孔的流量系数。在保证节流面积及进、出口压力一致的情况下，收缩型孔的流量系数明显大于其他两种类型孔，并随着倾角的增大而增大；直孔与扩张型孔的流量系数基本一致，随着倾角的变化，扩张型孔的流量系数变化极小。由图4可明显看出：孔型的差异导致有效流通面积不同，使得流量系数有差异。所以收缩型孔的流量系数最大，直孔与扩张型孔均比收缩型孔小。
表3 不同孔型条件下的流量系数对比
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数值计算结果显示，同样节流孔径及倾角的收缩型孔流量系数比扩张型孔大，且收缩型孔的流量系数比另外两种类型的孔都大，与试验结果完全吻合。
4 结论
试验研究了扩张型、收缩型及直孔的流量系数，分析三种孔型气膜孔对流量系数的影响，并结合数值模拟分析了不同孔型气膜孔流量系数差异的原因，得到以下结论：
1）三种类型气膜孔流量系数均随压降系数的增加而增大；
2）气膜孔的形状对流量系数有较大影响，在节流孔径相同的条件下，收缩型孔的流量系数最大，扩张型与直孔流量系数相当；
3）不同孔型气膜孔的流量系数主要受有效流通面积的影响；
4）在气膜孔设计和加工时都应考虑孔型对流量系数的影响，如果设计无特殊需要，应避免气膜孔倾角过大，从而避免实际火焰筒流量分配偏离设计。
参考文献：
[1] 葛绍岩,刘登瀛,徐靖中等.气膜冷却[M].北京:科学出版社,1985.
[2] HayN,Henshall S E,Manning A.Discharge coefficients of hole angled to the flow direction[J].ASME Journal of turbomachinery, 1994，116（1）:92-96
[3] Burd S W，Simon T W，Measurement of discharge coefficients in film cooling[J].ASME J.Turbomach,19991121（2）:243-248
[4] Li S C,Mongia H C.An Improved Method for Correlation of Film-Cooling Effectiveness of Gas Turbine Combustor Liners[R].AIAA Paper 2001-3268,2001. Gritsch M,Schulz A,Witting S.Effect of crossflows on the discharge cofficent of film cooling holes with varying angles of inclination and orientation[J]Jouanal of Turbine achinery,2001,123（4）
[5] 杨卫华,马国锋,张靖周.气膜孔冷却几何结构对流量系数的影响[J].推进技术,2005，26（5），413-416.
[6] 朱惠人,许都纯,刘松龄等,气膜孔形状对流量系数影响的试验研究[J].推进技术，1998，19（1）42-45.