● 摘要
涡轮前温度的提高有助于改善发动机的性能，但更高的燃气温度给涡轮叶片的防护工作带来了很大的挑战，气膜冷却技术在涡轮叶片的热防护上应用最广，结构多为离散型孔型，即在叶片表面加工若干不连续的小孔，冷气通过小孔喷射出来在来流燃气的作用下贴附在叶片表面，隔离高温燃气与叶片的直接接触。但该种结构存在一定的弊端，由于小孔的不连续性，因此在叶片表面会形成不连续的冷却带，冷却带之间存在相对高温区域，从而产生热应力损伤叶片。另外一个方面，加工的小孔的尺寸一般都会比较小，因此容易造成堵塞，给发动机的工作带来安全隐患。基于这种考虑，本文提出了一种新型的气膜冷却结构，即缝型气膜冷却。通过在叶片表面加工一条缝，出口与后面的叶片呈相切关系，因此冷气在喷出后可以很好地平铺在叶片表面，并且冷却带是连续的，中间不会有相对高温区域存在，达到全面保护叶片的效果，通过分别研究开缝宽度、唇口厚度、吹风比、开缝位置对冷却效果以及整体能量损失方面的影响，探究气膜冷却综合效率的规律。
分别在叶盆、叶背面上，建立具有不同参数的模型，并分别在不同的工况下进行数值仿真计算，通过对涡轮叶片的冷却效果以及流场的能量损失系数两个方面进行对比，得出以下结论：1）在缝宽不变的前提下，随着吹风比的增加，冷却效率是越来越高的，增加的幅度越来越小。与此同时，能量损失系数随着吹风比的增加呈现出减小的趋势，其减小的幅度也是越来越小。2）对于相同吹风比工况与等厚唇口厚度前提条件下，缝宽的不同也会使得结果有差异，随着开缝宽度的增加，最大冷效值与最小冷效值之间的差距越来越小，即冷效的均匀性性越来越好。同时随着缝宽的增加流场的能量损失系数呈现出减小的趋势。3）在开缝宽度与二次流量保持不变的前提下，通过改变唇口厚度发现，唇口厚度的变化对叶片两表面的冷却效果几乎没影响，但能量损失系数变化很大，且在两个面上的规律是不同的。压力面上当唇口为1.2mm时存在最小值，吸力面上则随着唇厚增加逐渐减小。4）建立在两面的不同位置上开缝模型，计算发现随着开缝位置自叶片前缘向尾缘移动过程中，两个面上的冷效都有所提高，两个面上的能量损失系数呈现的规律却不相同，压力面上的最大值出现在距前缘60%位置，吸力面上则随着位置后移逐渐增加。
关键词：气膜冷却，吹风比，冷效，能量损失