冲击+发散冷却是一种复合型双层壁冷却结构，冷气侧对应的是冲击孔壁，壁面上排布一定数量与壁面垂直的小孔，燃气侧对应的发散孔壁，壁面上排布众多与壁面成一定角度的斜孔。冷气由冲击孔垂直喷射至发散孔壁上，再向发散孔壁四周流动，进入发散孔后在发散孔壁的燃气侧形成气膜，其特点是气流经过冲击孔后形成高冲击雷诺数的冷却气流对发散孔壁热侧段进行冷却，小孔内强制对流，然后在热侧壁面形成气膜，以达到高效冷却的效果。
国内外许多学者对冲击+发散的复合冷却结构进行了研究。文献[1]对弯曲壁面冲击+发散冷却结构的冷却效果进行了试验对比研究，研究指出：冷却气流量对于双层壁结构弯曲段壁面综合冷却效率影响较大，冷却气流量越大，冷却效率越高，并随着流向方向先增大后减小；在冷却气流量相同的条件小，通过主流改变温比对于冷却效率影响不明显。文献[2]对冲击+发散冷却结构进行了对比性试验，对比了冲击孔孔径、深度、孔的展向间距以及冲击腔高度等不同结构对于冷却效率的影响。文献[3][4]对冲击+发散结构的流量系数进行了研究。文献[5]研究了弯曲壁面双层壁冷却结构的流量系数以及冷却效率，结果表明：冲击+发散结构的流量系数通常≤0.7，发散孔倾斜角度与流量系数成反比；弯曲壁面结构的冷却效率＞开孔方式相同下的平板结构。文献[6]通过试验对比研究了双层壁结构和单层壁结构的冷却效率，结果表明在冷却气量一致的情况下，双层壁结构的冷却效率比单层壁结构的冷却效率高出近30%。文献[7]通过试验研究了发散结构和冲击+发散结构对于换热系数的影响，增加了冲击板的射流强化换热作用，冲击+发散冷却结构的发散板换热系数较单层壁冷却结构提升较明显；在设计尺寸允许的双层壁间距高度范围内，对于单层壁冷却结构的换热系数影响不大；冲击孔板的开孔率对双层壁冷却结构的换热系数影响较大。
近年来研究的冲击+发散复合冷却方式多为平板结构，针对回流燃烧室小弯管弯曲壁面冲击+发散冷却结构的冷却效率研究较少。因此，本文主要研究不同工况及结构参数对回流燃烧室中小弯管弯曲壁面结构冲击+发散冷却方式的冷却效率影响，并进行了试验对比研究。
1 试验系统、试验段及试验件
1.1 试验系统
试验系统主要包括主气流管路和二次气流管路，如图1和图2所示。对于主气流管路，从空压机流出的空气进入稳压罐，使气流保持均匀稳定，然后流经槽道流量计，再由电加热器将气流加热至所需温度后进入试验段。试验段主流入口布置有热电偶和压力探针，用以测量主气流温度和压力。二次流管路的气体同样来自空压机，经由稳压罐后进入试验段冷气入口，二次气流的流量由位于管路上的质量流量控制器精确控制，在试验段入口的二次气流侧同样布置有测温热电偶和压力探针。主、次流管路的热电偶均通过温度巡检仪获得温度数据，压力由16通道压力扫描阀测得精确数据。试验段涡轮叶片壁面温度由红外热像系统精确测量。试验系统中，槽道流量计的量程为0.5kg/s~0.8kg/s，精度为0.5级；温度巡检仪的量程为＜1200℃，精度为±0.1℃；9116压力扫描阀的量程为-12~35Psid，精度为＜120Pa；红外热像仪的测温范围为0~500℃，精确度为1%。试验中所实用的热电偶为K型铠装热电偶，直径为2mm，测量范围为0~900℃，精确度为±0.1度。
图1 试验系统示意图
图2 试验系统现场图
1.2 试验段
图3为小弯管型面综合冷却效率试验段示意图，主要包括高温主流通道和冷却气流通道，在试验段入口处布置有总压探针、静压探针和热电偶，分别测量进口气流的总压、静压和温度，在冷气通道中亦布置有总压探针、静压探针和热电偶，分别测量静压通道中气流的总压、静压和温度。为了能够全面准确获得大曲率型面的温度场分布特征，采用红外热像仪对大曲率型面温度场进行非接触式测量。
图3 小弯管型面综合冷却效率试验段
1.3 试验件
1.3.1 冲击发散冷却结构
发散孔采用叉排结构，如图4所示。图中，P为发散孔展向间距，S为发散孔流向间距，其大小为相邻两个发散孔沿流向的弧长，发散孔出流角度均选为30°，发散孔径de均为0.6mm。详细的发散孔排布和几何尺寸见表1所示。
图4 发散孔结构
表1 发散孔排布几何尺寸
1.3.2 冲击孔板设计
冲击孔板共有9种结构，其中冲击孔排布方式有5种，冲击孔径有4种，试验件设计尺寸见表2所示。冲击+发散不同结构参数方案见表3。
表2 冲击孔排布几何尺寸
表3 冲击发散不同结构参数方案
2 计算参数
3.试验工况确定
不同冲击发散结构参数方案的综合冷却效率进口测量参数见表4。
表4 各结构方案综合冷却效率测量参数
4.试验结果分析
4.1 不同结构参数对壁面温度场的影响
4.1.1 流向间距与展向间距对壁面温度场的影响
方案1～5发散孔板燃气侧的红外拍摄图像如图5所示，从图5可以看出，展向间距2P=4mm与2P=5mm的试验件有更广的相对低温区域，冷却效果更明显，展向间距2P=2.5mm、2P=3mm与2P=6mm时冷却效果不佳。主要原因是展向间距P越大即流向间距S越小，展向孔排布越稀疏，而流向孔排布越密集。当P过小时，流向孔排布会过于稀疏，导致通过发散孔出口所形成的气膜分布不均，流向有一部分区域未能很好地被气膜所覆盖，这些区域会被主流燃气持续加热壁面，从而导致冷却效率不高；当P过大时，展向方向上的孔排布会过于稀疏，展向有一部分区域的气膜不能稳定覆盖，主流燃气对这些区域的对流换热会增强，从而壁面温度会增加。综合来看展向间距方案4的试验件沿流向方向前半程的冷却效果更好，而方案3的试验件沿流向方向后半程的冷却效果更好。
图5 方案1~5热侧壁面红外拍摄图像
4.1.2 不同冲击孔径的影响
方案6～9发散孔板燃气侧的红外拍摄图像如图6所示，从图6可以看出方案6的试验件冷却效果最好，且随着冲击孔径的增大，冷却效果会逐渐变差。主要原因是当吹风比不变，主流流量与次流流量不变的情况下，随着冲击孔孔径减小，通过冲击孔内的流速增大，冲击孔喷射出的冷气雷诺数增大，冷气与发散孔内的对流换热系数增大，从而使得燃气侧气膜覆盖更明显，壁面温度更低。因此适当的减小冲击孔径，有利于提高冷却效率。
图6 方案6~9 热侧壁面红外拍摄图像
4.2 不同结构参数对沿程平均冷却效果的影响
4.2.1 流向间距与展向间距对沿程平均冷却效率的影响
方案1～5的沿程冷却效率对比如图7所示，图中x为沿流向弯曲壁面弧长，d为基准方案发散孔孔径，x/d=0位于第一排发散孔中心。从图7可以看出，展向间距2P=4mm与2P=5mm的试验件沿程平均冷却效率相比其他试验件较高。为保证开孔有效面积一致，展向间距P越大即流向间距S越小，展向孔排布越稀疏，而流向孔排布越密集。P过大时，展向孔的排布会过于稀疏，因此展向方向有一部分区域气膜无法很好覆盖，主流对这些区域持续加热，从而使壁面平均温度增加，导致冷却效率降低；P过小时，流向孔排布会过于稀疏，由冷气喷出所形成的气膜分布不均，流向有一部分区域未能很好地被气膜所覆盖，壁面温度会升高，使得冷却效率降低，综合来看方案4沿流向前半程的冷却效果相对较好，而方案3后半程的冷却效果更好。
图7 方案1~5对综合冷却效率影响
4.2.2 冲击孔径对沿程平均冷却效率的影响
方案6~9的沿程冷却效率对比如图8所示，图中x为沿流向弯曲壁面弧长，d为基准方案发散孔孔径，x/d位于第一排发散孔中心。由图8可以看出方案6的试验件冷却效果最好。发散孔板保持一致的情况下，随着冲击孔径的减小，冷却效果会逐渐升高，由于次流流量不变，通过发散孔的冷气流量也将保持不变，而冲击孔孔径的减小能够使冲击孔喷射出的冷却气雷诺数增大，冷气与冷侧壁面即发散孔内燃气之间的对流换热系数增大，从而使得热侧壁面温度随之降低，因此在方案尺寸范围内，冲击孔径越小，冷却效率越高。
图8 方案6~9对综合冷却效率影响
5结论
1) 冲击孔展向间距2P=4mm和2P=5mm的小弯管冷气结构有更广的气膜覆盖低温区，综合冷却效率相比其他冲击展向间距试验件更高；
2) 在进口条件不变的情况下，在方案尺寸范围内，冲击孔径越小，燃气侧壁面气膜覆盖效果越好，冷却效率越高。
参考文献
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