跨音速涡轮叶片吸力面气膜冷却特性研究

付仲议 余强

(1.中国航发湖南动力机械研究所，湖南株洲 412002；2.中小型航空发动机叶轮机械湖南省重点实验室，湖南株洲 412002)

随着航空发动机的发展，涡轮前温度越来越高，为了保护涡轮叶片不被高温损坏，在涡轮叶片的冷却中广泛使用了气膜冷却技术，气膜冷却即为在叶片表面开有气膜孔，冷却气体从气膜孔喷出贴附在叶片表面形成一层冷气膜，避免高温燃气与叶片表面直接接触，达到保护叶片的作用。通常会在叶片表面不同位置处布置多排气膜孔，使气膜完整均匀地覆盖在叶片表面。为了进行叶片表面多排气膜孔的整体冷却设计，必须首先对叶片不同位置处单排气膜孔的冷却特性进行研究。Jiang[1]研究了在低速风洞中气膜冷却效率受孔位的影响。Winka[2]等人研究了圆形气膜孔冷却效率受叶片表面曲率的影响，发现凸面曲率处的冷却效率更高，凹面曲率处的冷却效率较低。但是在高速风洞中，对涡轮叶片上不同位置处单排簸箕形气膜孔冷却效率的研究较少，本文将通过实验得到涡轮导叶吸力面上接近真实气动条件下，不同位置处单排簸箕形气膜孔的气膜冷却特性。

1.实验装置及方法

实验件气膜孔在吸力面取3个孔位的簸箕孔，冷却气体从叶片内部圆柱型腔向气膜孔供气。吸力面从前缘至尾缘为气膜孔1至气膜孔3，分别位于某型发动机涡轮导向叶片的吸力面7%，12%，25%相对弧长位置，共分为3个实验件。图1给出了各位置簸箕孔的详细的结构参数，其中孔1的孔径D为0.95mm，孔间距P/D为7.5，扩张段展向角β为20°，流向角α为40°；孔2和孔3的孔径D均为0.85mm，孔间距P/D为8.5，扩张段展向角为β20°，流向角为α30°。换热实验中由于对主流进行加热代价较高且难以实现，所以采用反向热流法，即主流为常温，而在实验前用热气将实验叶片加热至温度均匀。

图1 簸箕形气膜孔结构图

2.实验工况及数据处理

2.1 实验工况

实验叶栅进口雷诺数和吹风比的定义分别为：

式（1）中ρ1，V1，μ1分别为叶栅入口的气流密度、速度和动力粘性系数，L为叶栅弦长；式（2）中（ρV）g和（ρV）sec分别为主流和二次流的当地密度和速度乘积。实验中主流雷诺数Re保持为4.0×105，气膜孔的冷气吹风比M为0.6，1.2，1.5和2.1。

2.2 数据处理

本实验是基于一维半无限大假设条件下的瞬态实验。绝热气膜冷却效率定义为：其中Taw为绝热壁温，Tgr为主流恢复温度，Tc为冷气温度。

3.结果分析

3.1 冷却效率测量结果

图2给出了Re=4.0×105下各个位置处气膜冷却效率随吹风比变化的实验结果。横坐标中x为孔后测点位置距离气膜孔的距离，d为孔径。从图中可以看出，除了气膜孔1的近孔区域（x/d＜30）的吹风比增大会使冷却效率降低，其余各位置吹风比增大会使冷却效率先升高后降低。孔位1和孔位3处在大吹风比(M≥1.5)时，与小吹风比相比，近孔区域的冷却效率明显减小，而孔位2在大吹风比下，在近孔区域仍能保持较高冷却效率，这说明与气膜孔1和3相比，位置2处冷气出流后对壁面拥有更好的贴附性，在较大吹风比下，这一特性尤为明显。不过随着孔后距离的增大，孔位2的冷却效率下降较快，在x/d＞80的区域已与其他孔位的冷却效率差别不大。在远离孔的下游区域（x/d＞30），各排气膜孔的冷却效率随着吹风比的增大而先增大后减小，在M=1.2时达到最大值。需要注意的是，在较小吹风比（M=0.6）下，虽然近孔区域可以得到较高的冷却效率，但是随着与孔距离的增加，冷却效率迅速降低，以至于在远离孔的下游处，其冷却效率低于较大吹风比下的冷却效率。对于气膜孔1和3，当吹风比增大到1.5时，气膜冷却效率的衰减速度逐渐减缓，当M=2.1时，冷却效率基本没有明显的减小，孔位1的冷却效率在x/d=40处反而有回升的趋势。

图2 吹风比对各个气膜孔冷却效率的影响;Ma=0.9

3.2 计算结果分析

图3给出了各位置处气膜孔出口截面温度场和速度矢量分布的计算结果，可对不同位置处气膜孔的冷却效率实验结果进行机理分析。本文采用SST（shear stress transport）k-ω模型，近壁面采用增强型壁面函数法，温度采取反向热流，二次流进口温度为400K，主流进口温度为300K，与实验条件基本一致。从图3中的气膜孔出口截面温度场和速度矢量分布可以看出，3个位置气膜孔出流后，在气膜孔出口处的壁面上方均形成了一对反向旋转的对涡，这与圆柱形孔气膜冷却的流动特性相似。气膜孔1和气膜孔3相比，气膜孔2出口处的反向对涡距离较远，位于二次流的边缘区域，反向涡对二次流和主流的掺混以及对冷气的抬升效果相对较小，二次流中心区域能够较好的贴附壁面。而气膜孔1和气膜孔3出口处的反向对涡位于二次流中心区域，对二次流的抬升作用明显，二次流中心区域已明显脱离壁面。

图3 气膜孔出口截面速度矢量和温度分布;M=1.2

4.结语

本文研究了涡轮导叶吸力面不同位置处单排簸箕形气膜孔的气膜冷却特性，结论如下：

靠近前缘的气膜孔1在近孔区域（x/d＜20）冷却效率随着吹风比的增大而减小，气膜孔2和3的冷却效率在整个孔后区域均随着吹风比的增大先增大后减小，中等吹风比（M=1.2）工况下，整体冷却效率较高，气膜冷却效果最好。

位于吸力面凸面的气膜孔2处表面曲率和主流加速度都较大，气膜对壁面的贴附性较好，即使在大吹风比下，在整个孔后区域都能有较高的冷却效率，这说明在叶片吸力面凸面处开设气膜孔冷却效果较好。