● 摘要
气膜冷却作为航空发动机高温部件的主要冷却方式之一，在有效降低涡轮叶片表面温度和热应力、提高发动机性能发挥着重要作用。当今，燃气轮机中的涡轮前进口总温逐年提高，致使深入研究旋转状态下气膜冷却的特性有着重要的意义。本文主要采用理论分析和实验研究的方法，对旋转态平板叶片模型上单孔气膜冷却现象中冷气出流的偏转趋势和单排射流孔后的气膜冷却特性进行了详细研究。首先，基于旋转状态下流体边界层流动的控制方程和气膜冷却轨迹的偏转理论，预测气膜轨迹径向偏转情况为：对于吸力面侧，气膜冷气出流必将在哥氏力、离心力的共同作用下向高半径方向偏转；对于压力面侧，理论中提出了用来表征冷气质点所受的离心力和哥氏力之比的新无量纲数——偏转数Dn，并预测当02时，气膜出流轨迹向高半径方向偏转，当Dn=2时，哥氏力与离心力相互平衡，导致气膜出流轨迹将趋于水平发展。理论还预测，当Dn=1时，压力面侧哥氏力减去离心力的值最大，对应的气膜轨迹向低半径偏转的程度达到最大。基于上述理论预测，本文研究了不同转速、不同主流流量和不同吹风比下的气膜轨迹偏转情况。实验是在设有一个气膜孔的平板叶片模型上进行的，采用热色液晶测温技术。实验结果表明：冷气出流所受的径向压力梯度、径向离心力、哥氏力是影响气膜轨迹偏转的重要因素；粘性力也可以影响气膜轨迹偏转，但影响不大；径向压力梯度是研究气膜轨迹径向偏转时不可忽略的因素，它沿主流流向方向剧烈减小，这导致冷气出流的偏转情况沿流向方向有很大差别。因为哥氏力在压力面侧和吸力面侧的作用方向不同，致使在同转速下的压力面侧的气膜轨迹下偏程度要比吸力面侧的气膜轨迹下偏程度来的大，并且吹风比越大，哥氏力的作用越发明显。离心力确是促使气膜轨迹向高半径偏转的重要因素，随着转速的提高，离心力的作用逐渐凸显并占主导作用。对于压力面侧，偏转数可以在一定程度上预测旋转状态下平板叶片的冷气出流的偏转方向，但存在误差，经过引入对偏转数的修正系数，可以使理论预计更加准确。对于吸力面侧，在沿主流流向3倍气膜孔直径以内的范围内，气膜轨迹随着转速的提高，先是向低半径方向偏转，然后逐渐恢复水平，最后逐渐上偏，这与理论预计相差较大；在沿主流流向3倍气膜孔直径以外的范围内的气膜轨迹均呈现上偏现象，这与理论预计符合较好。同样，本文对旋转状态下平板叶片模型表面单排孔气膜冷却效率进行了实验研究。结果表明：吹风比对二次流流动状态影响较大，随着吹风比的增大，冷气出流经历附壁流动、分离流动和分离再附壁三种流动形态；旋转数对冷却效率影响明显：低吹风比时，无论是在压力面还是在吸力面，气膜冷却效率的整体水平随着旋转数的增加均是逐渐下降的；吸力面侧气膜冷却效率整体水平略低于压力面侧气膜冷却效率整体水平；由于旋转引起的主流流动的复杂性，主流雷诺数对气膜冷却特性的影响规律较为复杂，低吹风比下，无论是吸力面和压力面，随着主流雷诺数Re的增加，冷却效率整体水平均呈现先减小后增大的现象，但最终有减小的趋势。