羅艷春，姜曉蓮，陳 宇

（空軍航空大學(xué)，吉林 長(zhǎng)春 130022）

燃燒室是航空發(fā)動(dòng)機(jī)核心部件之一。軍用航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的發(fā)展趨勢(shì)，是高溫升；民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的發(fā)展趨勢(shì)，是更低的污染排放[1]。這二者都需要大幅度提高用于參加燃燒的空氣分配比例。因此，減少冷卻空氣的分配比例，是一個(gè)必然的趨勢(shì)。而為了提高發(fā)動(dòng)機(jī)的循環(huán)效率，壓氣機(jī)的增壓比，也必然大幅提高，從而導(dǎo)致用于燃燒室冷卻空氣的品質(zhì)下降。對(duì)于未來(lái)高溫升甚至超高溫升的燃燒室，所面臨的關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)之一，就是在冷卻氣量分配減少和冷卻品質(zhì)下降的條件下，進(jìn)一步保持甚至提高火焰筒的耐久性。

1 冷卻的基本原理

由于航空發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展的需要，提高冷卻效率從而達(dá)到節(jié)約冷卻用氣的目的，變得非常重要。傳統(tǒng)方法是沿火焰筒內(nèi)壁面，形成一層冷卻氣膜，以保護(hù)火焰筒。這種縫式貼壁氣膜冷卻方式需要30%～40%的空氣量進(jìn)行冷卻。但隨著發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的溫升不斷提高，以及低污染燃燒的要求，需要大幅度減少冷卻空氣比例，同時(shí)由于壓比增加，使得進(jìn)口空氣溫度升高，空氣作為冷卻劑的冷卻潛力已下降，但火焰筒壽命卻希望更長(zhǎng)，因此常規(guī)縫槽氣膜冷卻難以滿(mǎn)足燃燒室火焰筒對(duì)冷卻的要求。

火焰筒壁單元體的傳熱過(guò)程表明，向火焰筒傳入的熱量共兩項(xiàng)：分別是高溫燃?xì)鈱?duì)火焰筒壁的輻射傳熱和與火焰筒壁的對(duì)流傳熱。

其中，輻射傳熱是主要的加熱項(xiàng)?；鹧嫱步邮艿臒崃?，主要來(lái)自高溫燃?xì)獾臒彷椛洌@部分的熱量是無(wú)法減少的。因此，降低火焰筒壁溫的途徑，只有從散熱方面考慮，其中依靠壁面向機(jī)匣的輻射散熱，沒(méi)多少潛力可用，只有利用對(duì)流換熱，即改善火焰筒與冷卻空氣的對(duì)流換熱，通過(guò)這一途徑，可以增大冷卻空氣從火焰筒帶走的熱量。

另外，提高氣膜絕熱溫比，使氣膜絕熱壁溫低于火焰筒燃?xì)鈧?cè)壁溫，從而達(dá)到降低火焰筒壁溫、減少冷卻空氣量，提高冷卻方式總冷卻效率的目的。

因此，所謂的先進(jìn)冷卻方式，就是采用了在冷卻空氣作為氣膜噴出之前，先進(jìn)行主動(dòng)冷卻，充分發(fā)揮其冷卻潛力的冷卻方式。

2 先進(jìn)的冷卻方式

2.1 多斜孔冷卻

多斜孔壁冷卻方式，是一種先進(jìn)冷卻方法，又稱(chēng)發(fā)散冷卻（或稱(chēng)全覆蓋氣膜冷卻）[2]。這種冷卻方式主要特征是：

在火焰筒壁上運(yùn)用激光鉆出大量密集、離散的小孔，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 多斜孔氣膜冷卻方式

為了形成較大的內(nèi)部冷卻能力，小孔直徑要小于壁厚。

多斜孔冷卻技術(shù)，也是解決高溫升燃燒室火焰筒冷卻問(wèn)題的關(guān)鍵技術(shù)之一。小孔內(nèi)部的強(qiáng)對(duì)流換熱和較大的對(duì)流換熱面積，是其顯著特點(diǎn)。冷卻氣流從冷側(cè)進(jìn)入眾多的傾斜的小孔，在斜孔內(nèi)與壁內(nèi)表面進(jìn)行內(nèi)對(duì)流換熱，帶走火焰筒壁的熱量，冷卻氣流出火焰筒壁后，在壁的熱側(cè)形成全覆蓋氣膜冷卻。

多斜孔內(nèi)部對(duì)流換熱，是該冷卻方式總冷卻效率高的主要原因。這種冷卻方式的換熱特點(diǎn)有：

一是小孔內(nèi)的孔進(jìn)口區(qū)換熱增強(qiáng)；

二是背部的換熱能力增強(qiáng)，主要原因是采用小孔進(jìn)氣抽吸火焰筒冷側(cè)氣體附面層；

三是大量?jī)A斜小孔使得火焰筒壁總冷卻面積極大地增加；

四是在火焰筒壁熱側(cè)形成了全氣膜保護(hù)。

2.2 層板冷卻

層板冷卻又被稱(chēng)為類(lèi)發(fā)汗冷卻結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 層板冷卻方式

為了既增強(qiáng)火焰筒壁內(nèi)的換熱特性，又不依賴(lài)于火焰筒耐高溫材料的進(jìn)展，導(dǎo)致了這種冷卻方式的出現(xiàn)，它們是“半發(fā)汗冷卻”方式。

層板一般是由數(shù)層經(jīng)電化學(xué)腐蝕的金屬板擴(kuò)散焊接而成，有的是直接在每層的層板上加工出內(nèi)部流動(dòng)通道，進(jìn)氣孔進(jìn)來(lái)的冷卻氣體，先沖擊到層板上，然后沿著氣流通道，流向出氣孔；有的是在層間通道中，布滿(mǎn)許多繞流柱，用來(lái)增加換熱面積和加強(qiáng)冷卻氣對(duì)壁面的冷卻[3]。研究發(fā)現(xiàn)，在夾層中有繞流柱的層板結(jié)構(gòu)，要比沒(méi)有繞流柱的雙層壁結(jié)構(gòu)換熱效果要好。設(shè)計(jì)過(guò)程中，可以通過(guò)選擇一些適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)參數(shù)，如孔間距離、進(jìn)出氣孔的直徑、層板的厚度、層板數(shù)目以及內(nèi)部通道面積大小等，來(lái)優(yōu)化其流動(dòng)阻力和換熱特性，通過(guò)減小這些參數(shù)，可以使層板內(nèi)部結(jié)構(gòu)接近微小毛細(xì)孔網(wǎng)，因而增大其內(nèi)部傳熱面積，提高冷卻效率。

2.3 沖擊/多斜孔冷卻

沖擊/多斜孔冷卻，是一種先進(jìn)冷卻方式[4～5]，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 沖擊/多斜孔冷卻方式

這種冷卻方式的特點(diǎn)，是其火焰筒壁是雙層壁結(jié)構(gòu)，冷卻氣這一側(cè)為沖擊壁?；鹧嫱踩?xì)膺@一側(cè)，為多斜孔冷卻壁。其最顯著的換熱特點(diǎn)，是在多斜孔壁的冷側(cè)存在著強(qiáng)烈的沖擊換熱。在冷氣流沖擊作用下，多斜孔內(nèi)的換熱情況產(chǎn)生變化，尤其是多斜孔進(jìn)口區(qū)變化更是顯著。該冷卻方式提高總冷卻效率及降低溫度分布梯度的技術(shù)途徑是：

（1）沖擊壁承受機(jī)械載荷，多斜孔壁承受熱載荷，承熱和承力分開(kāi)，以提高火焰筒使用壽命；

（2）充分利用沖擊冷卻換熱系數(shù)高的特點(diǎn)。研究結(jié)果表明，隨著沖擊雷諾數(shù)的增加，實(shí)驗(yàn)板冷側(cè)沖擊換熱系數(shù)也增加，二者基本上呈線性關(guān)系；

（3）多斜孔與壁面呈一定角度，增加了內(nèi)對(duì)流換熱面積，多斜孔進(jìn)口處附近的換熱明顯增強(qiáng)；

（4）多斜孔在沖擊孔兩側(cè)對(duì)稱(chēng)分布時(shí)，總體換熱效果較好，非對(duì)稱(chēng)換熱時(shí)有利于增強(qiáng)局部換熱；

（5）合適的雙層壁間壓降分配，可以使多斜孔壁熱側(cè)氣膜貼壁良好，形成了全氣膜保護(hù)。

3 冷卻方式的對(duì)比

基于目前水平的耐高溫金屬合金材料，滿(mǎn)足高溫升或者是低污染燃燒室的室壁冷卻，采用沖擊/多斜孔雙層壁、層板冷卻和多斜孔冷卻能夠滿(mǎn)足要求。

從冷卻的角度講，層板的室壁結(jié)構(gòu)，優(yōu)于單純的雙層壁結(jié)構(gòu)。但其出氣孔與室壁成90°關(guān)系，這就使得盡管其內(nèi)部傳熱效果很好，但氣膜冷卻部分不如瓦塊式的室壁。

此外，就是層板冷卻用于燃燒室火焰筒的壁溫梯度較高，表現(xiàn)在徑向和壁面方向?？偟睦鋮s效果不比瓦塊式壁好。其最大的問(wèn)題是加工很復(fù)雜，成本高，不宜用焊接。因?yàn)橐坏┯泻附樱ㄟ@是非有不可的），焊縫處內(nèi)部冷卻空氣流路都被破壞了。在IHPTET 計(jì)劃中，還專(zhuān)門(mén)研究了層板的焊接問(wèn)題。

另外，因?yàn)槭莾蓪颖冢貏e不適合拉處理，但其凈質(zhì)量比瓦塊式的小。多斜孔冷卻是發(fā)散小孔冷卻與氣膜冷卻及背面加強(qiáng)對(duì)流冷卻的組合，這種火焰筒是單層壁，因此凈質(zhì)量小。發(fā)散小孔冷卻的冷卻孔是復(fù)合角（Compound Angle），其氣膜冷卻效果比前面兩者要好。

由于沒(méi)有沖擊冷卻孔，通過(guò)發(fā)散小孔吸收的熱量不如層板的內(nèi)部傳熱。但造價(jià)便宜、簡(jiǎn)單，方便修理，同時(shí)發(fā)散冷卻火焰筒的壁溫梯度最小。這3種冷卻室壁比較見(jiàn)表1。

表1 3種冷卻結(jié)構(gòu)的性能比較

4 結(jié)束語(yǔ)

研究結(jié)果表明，這3種冷卻室壁都能有效解決高溫升和低污染條件下燃燒室的冷卻問(wèn)題，但各有優(yōu)缺點(diǎn)。其選用很大程度上取決于發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)者的延續(xù)性，總的來(lái)說(shuō)，多層多孔的層板冷卻方式，缺點(diǎn)較多，涉及到層板的流阻特性、層板的換熱以及層板的工藝制造等問(wèn)題。就各方面性能綜合而言，多斜孔氣膜冷卻具有明顯的優(yōu)勢(shì)，能滿(mǎn)足現(xiàn)代高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室火焰筒壁的冷卻要求，因此在未來(lái)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)中，將得到更廣泛的應(yīng)用。

[1]林宇震.燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2008.

[2]Lefebvre.Flame Radiation in Gas Turbine Combustion Chambers[J].International Journal of Heat and Mass Transfer，1984，（09）:1493-1510.

[3]左渝鈺.航空發(fā)動(dòng)機(jī)主燃燒室火焰筒壁冷卻的研究[J].航空發(fā)動(dòng)機(jī)，2002，（4）：38-43.

[4]俞文利，林宇震，劉高恩.沖擊加多斜孔雙層壁冷卻方式多斜孔內(nèi)換熱研究[J].航空動(dòng)力學(xué)報(bào)，2001，(10)：25-29.

[5]林宇震，李 彬，宋波，劉高恩.多斜孔壁冷卻方式不同進(jìn)氣角度小孔內(nèi)對(duì)流換熱研究[J].推進(jìn)技術(shù)，1999，20(1)：68-72.