浅析气膜冷却效率的影响因素

吴冬

摘  要：为了提高航空燃气涡轮发动机的性能，现代航空发动机涡轮前入口燃气温度越来越高，给发动机带来一系列问题。为了保证涡轮安全正常的工作，必须为涡轮叶片进行有效的冷却。目前航空发动机涡轮叶片上主要采用的冷却方式是气膜冷却，它是一种十分有效的热防护措施。本文通过分析比较国内外传热学者在改善气膜冷却效果方面大量的研究，提出了影响气膜冷却效果的因素：几何因素、流动状态。

关键词：涡轮叶片;气膜冷却;气膜冷却效率

1  气膜冷却概述

气膜冷却是由壁面上的喷口喷出一股冷气流（压气机出口气流）来阻隔高温燃气对壁面加热的一种十分有效的热防护措施[1]，目的是隔热和保护工作表面不被高温燃气腐蚀，它是航空发动机叶片上采用的冷却方式之一，如图1.1所示。

在工程上，气膜冷却效率是气膜冷却的一个重要指标，它用来衡量冷气流对壁面保护效果的好坏，其定义为：

从冷却效率的定义可知，冷却效率越高，其被保护工作表面的温度就越接近冷气流温度，气膜冷却效果就越好。

2  分析气膜冷却效率研究现状

国内外传热学者在提高气膜冷却效率这个重要指标方面做了大量的实验和理论研究。综合来看，常常采用的方法有三个：一是在被保护工作表面增加一些特殊结构;二是研究新孔型;三是改变其流动因素。

（1）在被保护工作表面增加一些特殊结构

在被保护工作表面增加一些特殊结构，如给气膜冷却孔出口的工作壁面上增加横向槽[2]和给气膜冷却孔上游表面安装突片等一些特殊结构。分析表明：在气膜冷却孔出口增加横向槽，冷气流首先在横向槽内扩散、减速，使得冷气贴附在工作壁面，阻隔高温燃气对工作表面加热，气膜冷却效果也明显改善;在给气膜冷却孔上游表面安装突片，使得高温燃气核心区远离工作壁面，从而避免了与从气膜孔喷出的冷气流的剧烈掺混，提高了冷气有效利用率，使得冷却效果显著提高。

（2）研究新孔型

研究新孔型，如发现了扇形孔、锥形孔、簸箕形孔、双扇形孔[3]、双出口孔等，如图2所示。分析表明：新型气膜冷却孔提供了气膜冷却和航空动力学方面的优势，可以通过减少出口的冷气流速度，使得冷气膜很好地附着在叶片表面，提高了冷却效果，同时，减少孔口处的回流而增加冷却效率。

（3）改变其流动因素

改变其流动因素[4]，如改变主流湍流度，分析表明：湍流度越大，流动越混乱，冷气膜没有很好地附着在叶片表面，从而导致与主流掺混剧烈，气膜冷却效果降低。因此，气膜冷却效率随湍流度的增大而降低，当湍流度较小时，可获得高的冷却效率。

3  总结

通过分析国内外传热学者在改善气膜冷却效果方面大量的研究，以上研究分析得出：提高气膜冷却效率的主要措施是提高冷气流的有效利用率，归纳起来有两点：一是几何因素，如改善气膜孔及工作壁面的几何结构等;另一方面是流动因素，如流湍流度等。

参考文献：

[1] 曹玉璋，等.航空发动机传热学[M].北京：北京航空航天大学，2005.

[2] 蒋永健，何立明，于锦禄.利用横向槽改善气膜冷却效率的数值模拟[J].推进技术，2008，29： 286-289，

[3] 廖乃冰，朱惠人，李广超.双扇形孔气膜冷却效率的研究[J].航空动力学报，Vol. 2008，23（11）：2082-2087，

[4] Kadotani， K.， and Goldstein， R.J. Effect of Mainstream Variable on Jets Issuing from a Row of Inclined Round Holes[C].ASME Paper No.78-GT-138，1978.