● 摘要
气膜冷却在发动机热防护上发挥着越来越重要的作用。一直以来，国内外研究人员通过计算和实验的方法，对吹风比、气膜孔几何形状、密度比等对静止叶栅气膜冷却的换热和冷却效率的影响进行了大量研究。然而在旋转涡轮气膜冷却方面，由于旋转流动对气膜影响机理相当复杂，相关研究较少，今后将是研究的重点。数值模拟由于其省时省力和数据完整的特点，必将在发动机的设计中起到越来越重要的作用。本文通过数值模拟的方法，以当前的1.5级涡轮叶片气膜冷却实验台和某小型燃气轮机的叶型为基础，预测了旋转叶片上气膜冷却效果，研究了转速、叶型、复合角等因素对气膜出流效果的影响，为今后更加深入地研究旋转涡轮上的气膜冷却提供了必要的基础研究数据。研究发现，当前的计算条件和模型下，在同样的冷气条件下，气膜的覆盖面积及冷却效率在很大程度上受主流影响。由于采用直叶片时和等截面流道，旋转状态下，涡轮中二次流较为严重，导致气膜冷却效果对转速的变化很敏感。在涡轮叶片的设计工况下，与直叶片相比，成功设计的弯扭叶型可以有效改善叶栅中的流场，主流不易分离，射流的冷却效果也因此改善。研究还发现，压力面上的气膜冷却效率对转速变化并不敏感，吸力面上的效率随转速增大而提高。为了提高旋转涡轮中的气膜冷却效率，因此研究复合角对气膜冷却的效果是很有必要的。本文发现，复合角的采用有助于气膜冷却效率，这一结论适用于压力面上大多数情况，以及吸力面上吹风比较大的时候（M>2及以上）。