高效的冷卻結(jié)構(gòu)是避免氣冷渦輪葉片受熱損壞的關(guān)鍵驶俊，直接影響葉片冷卻效率和航空發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定性淆珊。但是高效冷卻結(jié)構(gòu)導(dǎo)致主流與冷氣流的相干效應(yīng)更加復(fù)雜，并且高效冷卻結(jié)構(gòu)的發(fā)展一直受到加工工藝的制約健芭。本文從控制冷氣流動(dòng)的角度，將渦輪葉片分為前緣秀姐、中弦和尾緣區(qū)域慈迈，重點(diǎn)綜述了近十年氣冷渦輪葉片冷卻結(jié)構(gòu)的研究進(jìn)展以及渦輪旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下的氣動(dòng)傳熱特性，包括渦旋沖擊冷卻省有、氣膜孔形狀痒留、尾緣內(nèi)部強(qiáng)化換熱結(jié)構(gòu)與分隔肋形狀等。在此基礎(chǔ)上蠢沿，對(duì)比了各個(gè)結(jié)構(gòu)的冷卻效果伸头，并且指出各類冷卻結(jié)構(gòu)的缺陷。提出氣冷渦輪葉片未來的發(fā)展方向和難點(diǎn)舷蟀。

關(guān)鍵詞  氣冷渦輪葉片; 渦旋冷卻; 氣膜孔; 強(qiáng)化換熱; 擴(kuò)展板; 冷卻效率

01

引言

渦輪葉片冷卻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造的重要環(huán)節(jié)恤磷。隨著耐高溫材料研究的持續(xù)推進(jìn)以及采用更加復(fù)雜高效的冷卻結(jié)構(gòu)，渦輪葉片可耐受的工作溫度已達(dá)到2200K左右戈勾。截至目前绷煎，先進(jìn)的冷卻技術(shù)包括發(fā)散冷卻、氣膜冷卻、沖擊冷卻火毕、內(nèi)部強(qiáng)化對(duì)流冷卻傀蒲、層板冷卻和熱障涂層等，“十二五”期間剃炬，國(guó)內(nèi)掛片實(shí)驗(yàn)有效溫降已達(dá)到700K攒坊。另一方面，渦輪葉片受高溫燃?xì)鉀_刷后極易蠕變伸長(zhǎng)莫诲，導(dǎo)致渦輪其他部件斷裂泰涡。因此，為提高發(fā)動(dòng)機(jī)效率和避免出現(xiàn)事故抗海，航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片冷卻技術(shù)的深入研究具有重要意義丹伙。

本文總結(jié)了近十年渦輪葉片冷卻結(jié)構(gòu)的研究現(xiàn)狀，整理并分析前人的研究成果葫羡。值得注意的是恼五，燃?xì)廨啓C(jī)渦輪葉片的尺寸較大、工作溫度較低哭懈，導(dǎo)致其冷卻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)側(cè)重于相對(duì)簡(jiǎn)單灾馒、成本較低和自由度較高的方向，F(xiàn)級(jí)和G 級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)的冷氣流量占?jí)簹鈾C(jī)進(jìn)口流量的16%~20%遣总，燃?xì)廨啓C(jī)渦輪葉片上氣膜孔孔徑為0.5~1mm睬罗。而航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片的內(nèi)部冷卻結(jié)構(gòu)更加緊湊，航空發(fā)動(dòng)機(jī)冷氣流量的占比可達(dá)20%~30%旭斥，并且氣膜孔數(shù)量較多且孔徑只有0.1~0.8mm容达。盡管燃?xì)廨啓C(jī)與航空發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)差別較大，但是二者的設(shè)計(jì)原理是通用的［1］垂券。因此花盐，燃?xì)廨啓C(jī)冷卻結(jié)構(gòu)的若干研究工作被討論，這些歸納結(jié)果不僅可作為渦輪葉片氣熱耦合研究的基礎(chǔ)菇爪，而且可作為改善冷卻技術(shù)的參考算芯，進(jìn)而為航空發(fā)動(dòng)機(jī)氣冷葉片氣熱耦合實(shí)驗(yàn)與設(shè)計(jì)提供支持。

雖然發(fā)散冷卻具有較高的冷卻效率凳宙，但是發(fā)散冷卻結(jié)構(gòu)制造困難属圃，并且強(qiáng)度較低，導(dǎo)致其不能被應(yīng)用到工程領(lǐng)域［2］尽诀；層板冷卻與發(fā)散冷卻原理相似叉砰，冷氣從層板中的微型通道穿過，吸收熱量后從氣膜排出陆宝；熱障涂層屬于高溫材料領(lǐng)域亲沃，不符合本文研究范圍条稍；此外，渦輪葉尖區(qū)域的冷卻換熱可參閱文獻(xiàn)［3-4］袋员，本文研究?jī)?nèi)容不包括此方面悟惰。因此，除上述冷卻技術(shù)痘嫉，本文著重討論了渦旋沖擊冷卻估曾，氣膜孔參數(shù)，尾緣內(nèi)部強(qiáng)化換熱結(jié)構(gòu)與擴(kuò)展板形狀等馆义，如表1所示黔章。由于幾何形狀的限制，葉片不同區(qū)域采用不同的冷卻結(jié)構(gòu)咏尝。如圖1所示压语，沖擊冷卻與氣膜冷卻被廣泛用于葉片前緣區(qū)域；氣膜冷卻和內(nèi)部強(qiáng)化對(duì)流冷卻被用于中弦區(qū)域编检，中弦區(qū)域包括吸力面和壓力面胎食；由于尾緣較薄，一般采用劈縫氣膜冷卻或傾斜沖擊冷卻混合內(nèi)部強(qiáng)化對(duì)流冷卻的方式允懂。另外厕怜，由于渦輪動(dòng)、靜葉片的工作環(huán)境存在差異蕾总，動(dòng)葉中每個(gè)區(qū)域的冷卻結(jié)構(gòu)（尤其是內(nèi)部冷卻通道）在旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下的氣動(dòng)傳熱特性需單獨(dú)分析粥航。

Fig. 1  Compound cooling structure of blade[5]

本文將葉片分成前緣、中弦生百、尾緣區(qū)域递雀，著重論述了每個(gè)區(qū)域冷卻結(jié)構(gòu)、冷卻結(jié)構(gòu)參數(shù)以及旋轉(zhuǎn)作用等因素對(duì)冷卻效率的影響蚀浆，發(fā)現(xiàn)各結(jié)構(gòu)影響機(jī)理和不足缀程，并提出針對(duì)性建議，※后展望了航空發(fā)動(dòng)機(jī)氣冷渦輪葉片冷卻結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢(shì)瘫骏。

02

前 緣

前緣冷卻結(jié)構(gòu)一般由沖擊冷卻和氣膜冷卻組成颜要，通常情況下荣吻，兩者使用同一個(gè)冷卻通道哭夺。由于前緣是葉片首先受到高溫燃?xì)鉀_刷的區(qū)域，因此其冷卻效果的優(yōu)劣將直接決定葉片壽命和下游區(qū)域的冷卻效果押辽。下文總結(jié)并分析了冷卻結(jié)構(gòu)卷撞、氣膜孔參數(shù)以及旋轉(zhuǎn)作用等因素對(duì)渦輪葉片前緣冷卻效果的影響。

2.1 冷卻結(jié)構(gòu)

沖擊冷卻作為※有效的冷卻手段被用于渦輪葉片前緣饵忙，早期沖擊冷卻研究局限在垂直噴射方向盐文，根據(jù)1959年Kreith等［6］提出管內(nèi)渦旋可以增大對(duì)流換熱系數(shù)的結(jié)論圣翅，Hay等［7］于1975年首先將渦旋冷卻應(yīng)用在渦輪導(dǎo)葉內(nèi)部，發(fā)現(xiàn)渦旋冷卻進(jìn)口附近的冷卻效率遠(yuǎn)高于沖擊冷卻咏摔，自此渦旋冷卻的幾何參數(shù)優(yōu)化和流動(dòng)傳熱機(jī)理被廣泛研究握饼。近年，Wang等［8-10］研究發(fā)現(xiàn)昙百，雖然沖擊冷卻可以在局部區(qū)域獲得高換熱系數(shù)诡泌，但是渦旋冷卻獲得的換熱系數(shù)分布更加均勻，并且渦旋冷卻和沖擊冷卻獲得的總體冷卻效率相差不大［8啄枕，11］婚陪，因此渦旋冷卻可以有效減少葉片前緣區(qū)域的高溫區(qū)。圖2描繪了前緣主要采用的沖擊冷卻和渦旋冷卻方式频祝，而沖擊噴嘴的位置泌参、排列方式與渦旋通道形狀等參數(shù)深刻影響換熱效果［12］。本節(jié)首先總結(jié)了噴嘴和渦旋通道參數(shù)對(duì)冷卻效率的影響常空，然后分析了沖擊冷卻和渦旋冷卻的優(yōu)劣沽一。

Fig. 2  Streamlines and velocity contours in XY section[12]

噴嘴位置直接影響目標(biāo)平面不同位置質(zhì)量流量，進(jìn)而影響冷卻效率窟绷。Liu等［13］研究了GE-E3發(fā)動(dòng)機(jī)第一級(jí)動(dòng)葉靜止時(shí)锯玛，前緣內(nèi)的噴嘴位置和冷氣馬赫數(shù)對(duì)冷卻效果的影響，指出噴嘴越靠近壓力面兼蜈，或者馬赫數(shù)越大攘残，努塞爾數(shù)越大。但是冷卻效果可能會(huì)受到冷氣雷諾數(shù)的影響为狸，Liu等［14］研究了噴嘴相對(duì)冷卻腔室中心線不同位置（以E/d表示歼郭，其中E為噴嘴與冷卻腔中心線的橫向距離，d為噴嘴直徑）的冷卻效率臭膊，分別為E/d=0盆扳，0.5，1.0栏赋，冷氣流雷諾數(shù)范圍為1.2×104~2.0×104俭整，結(jié)果顯示，Re=1.5×104時(shí)仙衩，冷卻效果在E/d>0.5位置卓越妄由，而Re=2.0×104時(shí)，由于距離中心線較遠(yuǎn)篇挡，目標(biāo)面附近的湍動(dòng)能明顯下降像淋，導(dǎo)致?lián)Q熱性能降低。因此冷氣流雷諾數(shù)报葬、馬赫數(shù)和噴嘴位置都會(huì)影響冷卻效果语雇。

噴嘴排列方式也會(huì)影響冷卻效果痛贬，F(xiàn)awzy等［15-16］研究了圓錐形噴嘴排列方式對(duì)沖擊冷卻效率的影響，分別為切向噴射（Tang）磨涵、中間噴射（InNorm）和角度交錯(cuò)噴射（StNorm）驻债。結(jié)果顯示，當(dāng)氣膜孔為圓柱形形葬，噴嘴為圓錐形時(shí)却汉，在不同雷諾數(shù)（Renoz）和溫度比（TR）下，交錯(cuò)噴射的冷卻效率卓越荷并，詳見圖3（圖中ηov為區(qū)域平均綜合冷卻效率）合砂。需要指出的是，付麗鵬等［17］發(fā)現(xiàn)沖擊孔和氣膜孔相對(duì)位置需按照“沖擊占優(yōu)”的原則源织，控制冷卻腔的橫向流動(dòng)翩伪，得到※大的冷卻效率，但是谈息，尚不清楚渦旋冷卻與氣膜冷卻的組合結(jié)構(gòu)是否需要遵循“渦旋占優(yōu)”原則缘屹。

Fig. 3  Area-averaged overall cooling effectiveness at various Renoz and TR[15]

近年，通過改變噴嘴形狀控制冷氣流動(dòng)侠仇，進(jìn)而影響冷卻效果的研究較多轻姿，Du等［18］研究發(fā)現(xiàn)，渦旋通道的全狹縫進(jìn)口只能將冷卻效率提高57%逻炊，而分離式狹縫進(jìn)口可將冷卻效率提高75%祷骂。Du等［19］研究了七種長(zhǎng)寬比和橫截面積比的噴嘴對(duì)渦旋冷卻效率的影響，結(jié)果表明嗅呻，隨長(zhǎng)寬比增大藤习，平均努塞爾數(shù)先減小后增大，且長(zhǎng)寬比等于1時(shí)导劝，努塞爾數(shù)※大第粟；橫截面積比越低，努塞爾數(shù)分布越不均勻齐皂。而Fawzy等［20］研究了離散式狹縫進(jìn)口面積比和角度對(duì)冷卻效率的影響协颅，結(jié)果顯示，隨面積比和角度增大仅汰，冷卻效率升高簇娩，但是氣動(dòng)損失也隨之增大。

與Du等［19］的研究結(jié)果相似旋稚，渦旋通道形狀也會(huì)影響冷卻效率厦浦，Zhou等［21］研究了5種軸比（即通道豎直半軸長(zhǎng)度/水平半軸長(zhǎng)度=1/1.33瑟捺，1/1.17奕枝，1棺榔，1.17，1.33）雙渦旋冷卻腔徑向橫截面形狀的冷卻效率隘道，每種冷卻腔由相同的橢圓交疊而成症歇，冷氣在交疊處進(jìn)入腔室。結(jié)果表明谭梗，不同軸比的冷卻腔中渦流和橫向流的強(qiáng)度不同忘晤，冷卻腔的軸比越大，渦流強(qiáng)度越高激捏，橫向流強(qiáng)度越低设塔，因此軸比為1.33的冷卻腔具有卓越的冷卻效率和氣動(dòng)損失。此外远舅，Wang等［22］研究了葉片前緣軸向橫截面形狀（以軸向角β表示）和冷氣流雷諾數(shù)闰蛔、溫度比對(duì)渦旋冷卻效率的影響。結(jié)果顯示图柏，隨β角增大序六，冷卻氣流在腔室內(nèi)的速度增大，提高了換熱強(qiáng)度蚤吹。當(dāng)β從0°增大到5°時(shí)拒吧，換熱系數(shù)增大了23.6%，冷卻效率上升了19.6%泡募，并且冷卻效率隨雷諾數(shù)描蹦、溫度比的增大而增高。內(nèi)部強(qiáng)化換熱也可以增大渦旋冷卻效率票虎，Alhajeri等［23］研究了渦旋通道內(nèi)安裝方形肋柱對(duì)冷卻效率的影響幔私，結(jié)果顯示，低雷諾數(shù)時(shí)甲盘，尺寸小的肋柱可以得到卓越的冷卻效率菠山，雷諾數(shù)大于5×103時(shí)，通道內(nèi)壓力損失增加臣镜，并且冷卻效率開始降低乙错。而Liu等［24］研究了渦旋通道安裝淺槽對(duì)冷卻效率和氣動(dòng)性能的影響，結(jié)果顯示洁馒，較深的淺槽可以更大程度改善冷卻效率贾悬，并使壓力損失降低17%，因此柱锹，在渦旋通道強(qiáng)化換熱方面哪自，安裝淺槽比安裝肋柱更有效。

以上研究都基于單個(gè)冷氣進(jìn)口禁熏，而Wu等［25-26］研究了渦旋通道周向進(jìn)口數(shù)量對(duì)冷卻效率的影響壤巷，結(jié)果顯示邑彪，進(jìn)口數(shù)量為2時(shí)（兩進(jìn)口方向相反），冷卻效率※大胧华。此外寄症，Mousavi等［27］提出了5種雙渦旋腔進(jìn)口結(jié)構(gòu)，如圖4所示（圖中D為渦旋腔室直徑）矩动，進(jìn)口狹槽相對(duì)于腔室的位置不變有巧，僅方向不同。結(jié)果顯示悲没，在相同的雷諾數(shù)和質(zhì)量流率下篮迎，DCS5-3結(jié)構(gòu)使努塞爾數(shù)增大了33%。DCS5-3結(jié)構(gòu)中示姿，兩個(gè)渦旋腔共用中間進(jìn)口柑潦，與另外兩個(gè)進(jìn)口方向相反，這本質(zhì)上與Wu等［25-26］的研究結(jié)果相同阅窝，只是雙渦旋通道的冷卻效率高于單渦旋通道梯俘。值得注意的是，雖然這種結(jié)構(gòu)造成的氣動(dòng)損失相對(duì)于整個(gè)燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行壓力可以忽略坞龙，但是渦旋通道中總壓損失的絕※值依然較高霎挚。

Fig. 4  Inlet structure of vortex chamber and distribution of circumferentially-averaged Nu[27]

如圖2所示，F(xiàn)an等［12］研究了帶圓形噴嘴的沖擊冷卻蚀稻、帶矩形噴嘴的沖擊冷卻骗早、渦流冷卻、中部進(jìn)口雙渦旋冷卻和邊緣切向進(jìn)口雙渦流冷卻的氣動(dòng)傳熱性能府塘，結(jié)果顯示爪撤，雖然渦旋冷卻具有卓越的換熱效率，但是造成較多氣動(dòng)損失棚疏，綜合來看网燃，中部進(jìn)口雙渦旋冷卻具有優(yōu)良的氣動(dòng)傳熱性能。因此继溯，如果把沖擊冷卻和渦旋冷卻組合起來雄炕，則可以綜合沖擊冷卻換熱系數(shù)高和渦旋冷卻傳熱均勻的優(yōu)勢(shì)。圖5為Wu等［28］在Fan等［12］基礎(chǔ)上提出的沖擊冷卻和渦流冷卻的組合結(jié)構(gòu)之一（圖中Y·L-1為Y方向坐標(biāo)值與渦旋腔室的長(zhǎng)度之比）需忿，結(jié)果顯示組合結(jié)構(gòu)不僅形成優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)诅炉，渦旋冷卻還可以為沖擊冷卻創(chuàng)造無橫向二次流的工作條件。結(jié)合不同噴嘴位置屋厘，此結(jié)構(gòu)具有較高的冷卻效率（僅低于渦旋冷卻3.49%）和※小的氣動(dòng)損失涕烧。

Fig. 5  Mixed structure of impingement cooling and vortex cooling and distribution of spanwise average Nu[28]

噴嘴的形狀、位置、排列方式议纯、冷氣馬赫數(shù)父款、雷諾數(shù)，甚至與氣膜冷卻孔結(jié)合［29］痹扇，都可以影響冷卻效率，目前利用無量綱化得出前緣冷卻效率的主要影響因素的開放期刊還未出現(xiàn)溯香。在改善冷卻方式和冷卻腔形狀的同時(shí)鲫构，需要兼顧冷卻結(jié)構(gòu)的氣動(dòng)損失，因此冷卻腔形狀和進(jìn)玫坛、出口結(jié)構(gòu)依然存在研究空間结笨。

2.2 冷氣孔參數(shù)

隨著加工工藝不斷進(jìn)步，渦輪葉片前緣已實(shí)現(xiàn)沖擊+氣膜復(fù)合冷卻技術(shù)傅慈，流過沖擊冷卻或渦旋冷卻結(jié)構(gòu)的冷氣流通過外部氣膜孔排出蹦虏，在葉片前緣區(qū)域形成氣膜。20世紀(jì)70年代氣膜冷卻的概念被提出碘淘，經(jīng)過四十年的優(yōu)化和改進(jìn)刮血，已穩(wěn)定服役多年。目前氣膜冷卻結(jié)構(gòu)分為主動(dòng)式（如等離子振蕩器）和被動(dòng)式（如異形孔惰采、淺槽孔等）颂鞭，Zhang等［30］對(duì)此進(jìn)行了詳細(xì)綜述。本文主要總結(jié)氣膜冷卻效率受氣膜孔形狀栋锣、出流角度和孔距影響的研究進(jìn)展刑袒。

氣膜孔形狀不但影響主流和冷氣流的相干效應(yīng)，也對(duì)氣膜冷卻效率起重要作用谍竿。Kim等［31］研究了5種氣膜孔對(duì)圓柱形前緣冷卻效率的影響程悼，詳見圖6（圖中d為圓柱形氣膜孔直徑，x為沿葉片表面滯止線的展向距離）路影，分別為凹柱形孔诬像、兩個(gè)展向角度孔和兩個(gè)展向軸向角度孔。結(jié)果顯示闸婴，較大長(zhǎng)寬比的孔型（即展向角度較新！）氣膜冷卻效率卓越。朱惠人等［32］也發(fā)現(xiàn)掠拳，圓柱形孔出口沿流向擴(kuò)張10°后癞揉，獲得的氣膜冷卻效率大于圓柱形肋本身。并且溺欧，Ye等［33］研究發(fā)現(xiàn)喊熟，軸向孔與沖擊冷卻結(jié)合時(shí)可以獲得更高的冷卻效率。但是，應(yīng)用異形孔與沖擊冷卻結(jié)合時(shí)芥牌，應(yīng)當(dāng)充分考慮前緣曲率造成的影響［34］烦味，并且，雖然應(yīng)用3D打印技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)沖擊/渦旋+氣膜的復(fù)合冷卻技術(shù)壁拉，但是兩種冷卻結(jié)構(gòu)相互作用的氣動(dòng)傳熱機(jī)理需要深入分析谬俄。截至目前，氣膜孔形狀的優(yōu)化依然是研究熱點(diǎn)弃理，它們的基本原理與增大孔徑相同贼匾，即優(yōu)化氣膜孔出口形狀，減弱冷氣流出口動(dòng)量挂蹦，增大氣膜覆蓋面積瞪栋，并且抑制腎形渦對(duì)的強(qiáng)度，減少冷氣流與主流的摻混損失叼叙。

Fig. 6  Film hole shape and spanwise-averaged effectiveness[31]

姜偉等［35］發(fā)現(xiàn)與葉片表面存在傾斜角度的圓柱形孔產(chǎn)生的氣膜覆蓋面積大于垂直于葉片表面的圓柱形孔產(chǎn)生的覆蓋面積荷焦。Liu等［36］采用圓柱形孔進(jìn)一步研究了展向噴射角度對(duì)冷卻效率的影響，展向角度分別為20°么酪，30°掌范，40°，50°长尼，70°凿芦。結(jié)論實(shí)質(zhì)上與Kim等［31］相同，展向角度越小连定，氣膜越容易貼附在前緣表面铝框，因此較小的展向角度可以同時(shí)增大前緣內(nèi)部與外部的冷卻效率。并且磁携，Wang等［37］發(fā)現(xiàn)在存在激波的跨聲速條件下褒侧，出流角度越小，氣膜冷卻效率受激波影響越小谊迄。譚曉茗等［38］也發(fā)現(xiàn)出流角越小闷供，氣膜覆蓋面積越大。因此统诺，在各種條件下歪脏，較小的出流角度可以獲得較高的氣膜冷卻效率。

孔距也影響氣膜冷卻效率粮呢。Dyson等［39］研究了圓柱形孔孔距對(duì)冷卻效率的影響婿失，孔距分別為7.6d，8.6d啄寡，9.6d和11.6d（d為氣膜孔直徑）豪硅。結(jié)果顯示哩照，隨吹風(fēng)比的增大，對(duì)流冷卻效率增大懒浮，但是氣膜覆蓋率降低導(dǎo)致前緣區(qū)域出現(xiàn)“熱點(diǎn)”飘弧，導(dǎo)致葉片的工作壽命縮短。值得注意的是删广，孔距由7.6d增大到9.6d時(shí)要尚，冷卻效率降低4%，增大到11.6d時(shí)剩知，冷卻效率降低16%朽擒。由于孔距過大會(huì)造成氣膜覆蓋率降低，過小則需要從壓氣機(jī)抽取更多冷氣量李晾，降低發(fā)動(dòng)機(jī)效率渔茉，因此在特定孔型育需、孔角度和冷卻結(jié)構(gòu)下恕且，孔距存在※優(yōu)值，目前尚沒有開放文獻(xiàn)研究此類問題阎揪。

2.3 旋轉(zhuǎn)作用

以上結(jié)論都基于靜態(tài)實(shí)驗(yàn)吩欣，而在動(dòng)葉中，由于旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致的哥氏力海庆、浮升力以及二次流影響主流和冷氣流的流動(dòng)方向恋瞳，因此，旋轉(zhuǎn)速度深刻影響動(dòng)葉前緣區(qū)域的外部氣膜冷卻和內(nèi)部對(duì)流冷卻效率溃蔫。

韓楓研究了恒定轉(zhuǎn)速下氣膜孔傾斜角［40-41］和孔距［42］對(duì)冷卻效率的影響健提。旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下，氣膜傾斜角實(shí)驗(yàn)的結(jié)論與Liu等［36］相同伟叛，傾斜角度減小有利于提高氣膜冷卻效率私痹。在研究孔距和吹風(fēng)比的實(shí)驗(yàn)中，相對(duì)孔距比Dyson等［39］實(shí)驗(yàn)中的孔距小统刮，分別為2.5d紊遵，3.75d和5d（d為氣膜孔直徑），旋轉(zhuǎn)速度為574r/min侥蒙，密度比為1.56暗膜。結(jié)果顯示，孔距增大或吹風(fēng)比減小導(dǎo)致冷氣流量減小鞭衩，因此展向氣膜冷卻效率和區(qū)域平均氣膜冷卻效率單調(diào)降低学搜。此外，當(dāng)孔距為2.5d時(shí)论衍，軸線上方冷氣對(duì)下方冷氣產(chǎn)生擠壓作用恒水，導(dǎo)致冷氣流向壓力面和吸力面分離。

Ahn等［43］研究了旋轉(zhuǎn)速度與吹風(fēng)比對(duì)渦輪動(dòng)葉前緣氣動(dòng)換熱性能的影響，前緣布置3列徑向氣膜孔姑郊，發(fā)現(xiàn)由于旋轉(zhuǎn)影響匈惑，主流入口角發(fā)生變化，中間列氣膜孔出流的冷氣的流動(dòng)方向受旋轉(zhuǎn)影響※大裂膛，具體現(xiàn)象為：旋轉(zhuǎn)速度為2400r/min時(shí)庇鸭，攻角為正，中間列冷氣偏向吸力面噴射紧贪；旋轉(zhuǎn)速度為2550r/min時(shí)狂嘉，攻角為0，中間列冷氣沿展向噴射藤该；旋轉(zhuǎn)速度為3000r/min時(shí)询蚊，攻角為負(fù)，中間列冷氣偏向壓力面噴射里状。相似的因震，韓楓等［44］也研究了旋轉(zhuǎn)速度和吹風(fēng)比對(duì)彎扭動(dòng)葉前緣氣膜冷卻效率的影響，前緣交錯(cuò)布置3列圓柱形氣膜孔鳞编，結(jié)果顯示汁蝶，隨轉(zhuǎn)速增大，滯止線從壓力側(cè)轉(zhuǎn)移到吸力側(cè)论悴。值得注意的是掖棉，當(dāng)吹風(fēng)比不變時(shí)，氣膜冷氣效率隨旋轉(zhuǎn)速度增大而升高膀估；吹風(fēng)比為0.5~1.25時(shí)幔亥，氣膜冷卻效率隨吹風(fēng)比增大而升高，與Ahn等［43］結(jié)論相同察纯。兩篇文獻(xiàn)共同說明了吹風(fēng)比與旋轉(zhuǎn)對(duì)氣膜冷卻效率的影響相對(duì)獨(dú)立帕棉。

旋轉(zhuǎn)也會(huì)影響動(dòng)葉前緣區(qū)域內(nèi)部對(duì)流冷卻效率。Huang等［45］研究了旋轉(zhuǎn)軸和三棱柱形冷卻通道相對(duì)角度對(duì)前緣內(nèi)部對(duì)流冷卻效率的影響捐寥。冷卻通道相對(duì)角度分別為45°笤昨，67.5°，90°握恳，冷卻通道內(nèi)布置與主流流向成45°角的連續(xù)肋和V形肋瞒窒，旋轉(zhuǎn)數(shù)為0~0.65。結(jié)果顯示乡洼，當(dāng)三角形冷卻通道相對(duì)角度為45°時(shí)崇裁，由于旋轉(zhuǎn)造成的二次流增強(qiáng)了對(duì)流換熱強(qiáng)度，冷卻效率隨旋轉(zhuǎn)數(shù)增大而升高扛焊。因此波耗，結(jié)合韓楓等［44］的結(jié)論脊腺，動(dòng)葉前緣區(qū)域的總體冷卻效率隨旋轉(zhuǎn)數(shù)增大而單調(diào)升高。

此外休敛，Deng等［46］采用瞬態(tài)液晶顯示技術(shù)探究了旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下前緣沖擊與氣膜復(fù)合冷卻的傳熱特性茉园，結(jié)果顯示，隨旋轉(zhuǎn)數(shù)增大史糕，沖擊氣流的覆蓋面積更大汁讹，但吸力面和壓力面的平均努塞爾數(shù)減小，且壓力面的減幅更大锤知。另外棋裳，在模擬旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下前緣沖擊與氣膜復(fù)合冷卻的矩形通道中［47］，哥氏力導(dǎo)致射流偏離贩纵，造成冷卻能力降低凭协，不同旋轉(zhuǎn)方向產(chǎn)生的哥氏力深刻影響通道內(nèi)流場(chǎng)，導(dǎo)致傳熱分布不同懒叛。

綜上丸冕，對(duì)于特定的葉片前緣，應(yīng)該選擇特定的冷氣孔參數(shù)芍瑞，以達(dá)到更高的冷卻效率晨仑。值得注意的是褐墅，由于旋轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)的難度和成本高于靜止實(shí)驗(yàn)拆檬，因此，渦旋冷卻的研究依然停留在靜止實(shí)驗(yàn)階段妥凳；并且竟贯，由于前緣直接阻礙燃?xì)饬鲃?dòng)，導(dǎo)致前緣存在滯止區(qū)逝钥，氣膜無法完全覆蓋此區(qū)域屑那；同時(shí)，前緣開孔位置艘款、旋轉(zhuǎn)以及上游葉片產(chǎn)生的尾跡持际、激波必然改變滯止區(qū)位置，截至目前哗咆，此區(qū)域的冷卻換熱問題依然沒有得到有效解決搂物。未來可以通過布置輔助孔、交錯(cuò)噴射读铁，內(nèi)部沖擊換熱囱蕴，甚至采用劈縫噴射的方式避免前緣滯止區(qū)出現(xiàn)高溫，但是可能會(huì)產(chǎn)生更多的氣動(dòng)損失砂两。

03

中 弦

渦輪葉片的中弦區(qū)域包括壓力面和吸力面朋堪。由于壓力面是凹面橘疚，并且主流壓力較高，氣膜不易從表面分離盹扮，但是吸力面曲率較大胶僵，極易在表面彎折處產(chǎn)生逆壓梯度，導(dǎo)致氣膜從葉片表面分離字拒。因此猿悔，在同一個(gè)葉片中，壓力面的氣膜冷卻效率略高于吸力面［48］捧贺。本節(jié)整理并分析了冷卻結(jié)構(gòu)角葱、氣孔參數(shù)和旋轉(zhuǎn)作用對(duì)中弦區(qū)域冷卻效率的影響。

3.1 冷卻結(jié)構(gòu)

中弦冷卻結(jié)構(gòu)通常由內(nèi)部強(qiáng)化對(duì)流冷卻和外部氣膜冷卻組成座泳。近年惠昔，氣膜孔孔型和狹縫冷卻成為氣膜冷卻的主要研究方向，因此本節(jié)囊括了孔型的研究進(jìn)展挑势。

渦輪內(nèi)部冷卻研究早期镇防，航空發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)推重比的要求較低，并受限于當(dāng)時(shí)的加工工藝潮饱，通常在渦輪內(nèi)部布置光滑直通道来氧，但隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展和加工工藝的進(jìn)步，帶肋蛇形通道因其優(yōu)越的冷卻性能逐漸取代光滑直通道香拉。這種強(qiáng)化換熱結(jié)構(gòu)不僅增大了換熱面積啦扬，而且冷氣流接觸湍流器后的分離-再附現(xiàn)象可以有效增加湍流度，進(jìn)而增大對(duì)流換熱系數(shù)凫碌。目前渦輪葉片的內(nèi)部強(qiáng)化冷卻結(jié)構(gòu)已經(jīng)相當(dāng)成熟扑毡，燃?xì)廨啓C(jī)葉片中弦區(qū)域內(nèi)部冷卻結(jié)構(gòu)的進(jìn)展參見文獻(xiàn)［49-50］，而主要研究方向依然是細(xì)節(jié)優(yōu)化盛险，例如瞄摊，陳偉等［51］和郭仲秋等［52］發(fā)現(xiàn)，在U形通道彎頭處添加導(dǎo)流板可以有效降低通道中的壓力損失颅婴，改善通道內(nèi)的傳熱均勻性颈缆，這種結(jié)構(gòu)可以推廣到其他蛇形通道中。

與改善前緣氣膜冷卻效率相似汗钳，中弦也采用優(yōu)化孔型的方法梧货。姚玉的研究結(jié)果表明，吸力面上游開設(shè)收斂縫形孔不僅可以增大流向的冷卻效率涕留，而且展向的氣膜覆蓋率更高［53］褂反，并且葉柵氣動(dòng)損失更低［54］。劉聰?shù)龋?5］發(fā)現(xiàn)吸力面安裝簸萁形孔比安裝圓柱形孔冷卻效率高唁返，而Gao等［56-57］研究了離散式異形孔對(duì)中弦氣膜冷卻效率的影響娇仙。結(jié)果顯示丹叨，與圓柱形孔相比，除吸力面近葉肩和輪轂區(qū)域存在二次渦流以外尾贮，中弦其他區(qū)域的氣膜覆蓋率較高洁乏，因此異形孔可以獲得更高地氣膜冷卻效率。在孔型改進(jìn)方面怔巷，Ayoubi等［58］基于基因遺傳算法耦合人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了多目標(biāo)優(yōu)化倍试，以氣膜孔圓錐膨脹角度、復(fù)合角度和長(zhǎng)徑比作為自變量蛋哭，以氣膜冷卻效率和氣動(dòng)損失為目標(biāo)變量县习，利用RANS方程得到Pareto前沿解集。結(jié)果顯示谆趾，與圓柱形孔基準(zhǔn)案例相比躁愿，冷氣流通過擴(kuò)展孔后，提高了氣膜覆蓋面積沪蓬，并降低了冷氣法向動(dòng)量彤钟，優(yōu)化后的氣膜孔獲得的氣膜冷卻效率提高1倍，氣動(dòng)損失降低22%跷叉。而Ramesh等［59］提出了新思路逸雹，如圖7所示（其中BR為吹風(fēng)比，η為氣膜冷卻效率）云挟，異形孔的擴(kuò)展面被轉(zhuǎn)換為輔助孔梆砸，兩個(gè)輔助孔與主孔形成三腳架形孔，使用同一個(gè)進(jìn)氣道植锉。結(jié)果顯示骡榨，三腳架形孔不僅可以增加氣膜覆蓋面積爹舱，而且降低了冷氣流出口動(dòng)量奕截，因此，在壓力面下游區(qū)域皿遏，安裝三腳架孔獲得的冷卻效率較高噪境。Ramesh等［59-60］進(jìn)一步分析了圓柱形孔（CY）、三腳架孔（AV）丧忍、異形孔（SH）和異形-三腳架孔（SH-AV）產(chǎn)生的氣膜冷卻效率半泪，結(jié)果表明，高質(zhì)量流率時(shí)参挨，異形孔可以提高近孔區(qū)域的氣膜冷卻效率效勺，但是對(duì)孔下游區(qū)域的冷卻效率影響較小，而三腳架孔對(duì)下游區(qū)域的冷卻效率影響較大亮蜓。因此嘉容，在低吹風(fēng)比條件下架独，異形-三腳架形孔是冷卻效率卓越的孔型，但是在高吹風(fēng)比條件下饿呢，受到異形影響脖旱，異形-三腳架形孔沒有三腳架形孔的冷卻效率高。

Fig. 7  Tripod hole and contours of cooling effectiveness[59]

異形孔因其外形復(fù)雜而難以加工介蛉，且電火花萌庆、電熔解和激光打孔等加工工藝容易造成熱應(yīng)力。20世紀(jì)80年代币旧，美國(guó)掌握異形孔加工工藝后践险，將其應(yīng)用到F119型發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪葉片中，已穩(wěn)定服役30年吹菱。而我國(guó)相關(guān)單位克服重重困難捏境，于2018年7月成功加工出異形孔，這將極大促進(jìn)我國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展毁葱，異形孔改進(jìn)優(yōu)化的速度必將隨之加快垫言。值得注意的是，雖然與異形孔相比倾剿，異形-三腳架孔減少了冷氣流法向動(dòng)量筷频，氣膜覆蓋率被提高，但劈縫結(jié)構(gòu)似乎比異形-三架形孔更有效前痘。

Senouci等［61］采用數(shù)值方法研究了前緣與中弦連接處布置劈縫對(duì)中弦氣膜冷卻效率的影響涯馆，切向劈縫冷卻結(jié)構(gòu)至少使吸力面氣膜冷卻效率提高34%，切向劈縫結(jié)構(gòu)可以使壓力面獲得※小的絕熱效率崎爽。但是俺埋，為解釋劈縫下游的氣膜冷卻效率比基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)小的現(xiàn)象，應(yīng)當(dāng)討論壁面存在熱傳導(dǎo)的情況摹撰。為對(duì)比氣膜孔與劈縫獲得的氣膜冷卻效率俄脂，Zhang等［62］采用壓敏漆技術(shù)和商業(yè)軟件CFX耦合傳熱方法，研究了中弦區(qū)域安裝劈縫或氣膜孔時(shí)的氣膜冷卻效率行翘。圖8為連續(xù)式劈縫結(jié)構(gòu)和間斷式劈縫及其綜合氣膜冷卻效率曲線相吭，為避免劈縫造成的葉片剛度減弱問題，柱肋陣列被安裝在沖擊層中领末。結(jié)果顯示郊拄，不同吹風(fēng)比下，由劈縫結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的氣膜覆蓋率較高痘涧，因此安裝劈縫結(jié)構(gòu)的表面氣膜冷卻效率比離散孔高楚陶，并且在相同吹風(fēng)比下，冷氣流經(jīng)劈縫結(jié)構(gòu)后速度更低纤壁，因此劈縫結(jié)構(gòu)的流動(dòng)阻力※小左刽。截至目前剪撬，關(guān)于改變劈縫位置、寬度悠反、長(zhǎng)度和噴射角度残黑，以改善中弦區(qū)域氣膜冷卻效率的研究尚不多見。

Fig. 8  Various structures and overall cooling effectiveness curves with blowing ratio[62]

3.2 氣孔參數(shù)

氣膜孔的出流角度和排列方式直接決定中弦氣膜覆蓋率斋否。根據(jù)Zhou等［63］的結(jié)果梨水，在中弦區(qū)域，較小的出流角度可以形成較大氣膜覆蓋率茵臭，并且形成的氣膜不易分離疫诽，這與前緣區(qū)域氣膜孔出流角度的分析相同，如圖9所示（其中α為氣膜孔出流角度旦委，BR為吹風(fēng)比奇徒，xS，S分別為流向距離和葉片軸向弦長(zhǎng)）缨硝。Benabed［64］也研究了出流角度對(duì)中弦區(qū)域氣膜冷卻效率的影響摩钙，吸力面和壓力面的氣膜孔分別布置在前緣滯止點(diǎn)附近，結(jié)果顯示谎拴，不同的側(cè)面角度得到的氣膜冷卻效率顯著不同荚谢，出流角較小時(shí)，沒有出現(xiàn)氣膜分離現(xiàn)象呐品；而高吹風(fēng)比下凯挟，較大出流角氣膜從吸力面分離，氣膜冷卻效率降低垒汉。

Fig. 9  Spanwise-averaged film cooling effectiveness with flow angle[63]

在氣膜孔安裝位置方面辱滤，劉聰?shù)龋?5］、姚春意等［65］和付仲議等［66］發(fā)現(xiàn)在靠近前緣的位置安裝單列氣膜孔時(shí)盛闻，可以獲得較高的氣膜冷卻效率沽贸。王克菲等［67］也發(fā)現(xiàn)簸萁形孔安裝在吸力面較大曲率處（即靠近前緣處）時(shí)，氣膜可以更好地貼附于壁面讯谎，增大冷卻效率碎员，但是氣膜不易在展向擴(kuò)散。而Johnson等［68］采用新穎的遺傳算法乘硬，以氣膜孔位置為自變量，壓力面平均速度鹿鳖、※大溫度和平均氣膜冷卻效率為優(yōu)化目標(biāo)扁眯，得出高壓渦輪壓力面※優(yōu)氣膜布置方式。壓力面平均溫度下降了2K翅帜，※大溫度下降了3K姻檀，熱流降低了2kW/m2命满，并且減小了主流壓損。并且绣版，這種陣列可以降低冷氣使用量胶台，增大發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率。另外杂抽，Johnson等［69］利用此方法優(yōu)化了冷氣出流角度诈唬、氣膜孔復(fù)合角、氣膜孔大小和排列方式等因素缩麸；Huang等［70-71］借助徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遺傳算法铸磅，對(duì)扇形孔形狀進(jìn)行了多目標(biāo)優(yōu)化，得到扇形孔形狀的Pareto前沿解集杭朱；而Jiang等［72］采用多島遺傳算法和非支配排序遺傳算法阅仔，優(yōu)化了氣膜孔復(fù)合角和出流角度；他們的優(yōu)化結(jié)果均使葉片表面溫度降低窑笑，并且減少了冷氣使用量秕射。目前關(guān)于孔位置的研究主要集中在單個(gè)氣膜孔、雙氣膜孔和單排氣膜孔條件综界，針對(duì)整個(gè)壓力面或吸力面氣孔陣列的研究較少匕磅。

3.3 旋轉(zhuǎn)作用

以上結(jié)論都基于靜態(tài)實(shí)驗(yàn)，而旋轉(zhuǎn)會(huì)增大蛇形通道彎折處熱應(yīng)力陶啥、導(dǎo)致氣膜向葉尖偏移晃逞，影響中弦區(qū)域的冷卻效率。在內(nèi)部冷卻方面眉剿，Lei等［73］發(fā)現(xiàn)靜止?fàn)顟B(tài)下帶135°肋矩形雙通道的換熱率隨肋間距的減小而升高虽才，但是旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下?lián)Q熱率受肋間距的影響幾乎與靜止時(shí)相同。Singh等［74］研究了旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下湍流器以及蛇形通道數(shù)量對(duì)內(nèi)部冷卻效率的影響团何，湍流器與冷卻流向成45°角寨都，通道數(shù)量分別為4個(gè)和6個(gè)。結(jié)果顯示司型，4通道結(jié)構(gòu)稍微比6通道結(jié)構(gòu)冷卻效率高昼接，安裝湍流器的通道比光滑通道的冷卻效率高3~4倍，如圖10所示（其中LS表示前側(cè)悴晰，TS表示后側(cè)慢睡，Ro為旋轉(zhuǎn)數(shù)，THP為氣熱性能铡溪，其定義式為

式中Nu/Nu0為歸一化努塞爾數(shù)漂辐，Nu0由Dittus-Boelter經(jīng)驗(yàn)公式獲得，f/f0為歸一化摩擦因數(shù)。經(jīng)過對(duì)比髓涯，發(fā)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下通道的冷卻效率與靜止?fàn)顟B(tài)十分接近袒啼，說明哥氏力與浮升力造成的熱應(yīng)力被湍流器和蛇形通道抑制。朱興丹等［75］也研究了冷氣通道對(duì)冷卻效率的影響纬纪，發(fā)現(xiàn)4通道進(jìn)氣結(jié)構(gòu)比3通道冷卻效果好蚓再。在外部冷卻方面，與三腳架形孔［59］不同包各，程會(huì)川等［76］將主孔與兩列輔助孔分離摘仅，結(jié)果表明，旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致吸力面的冷氣流軌跡偏向葉尖髓棋，但壓力面的冷氣流軌跡對(duì)旋轉(zhuǎn)不敏感锉寿；并且，輔助孔增大了氣膜覆蓋面積趴国，并減小了主孔附近的腎形渦對(duì)強(qiáng)度泣虚，因此抑制了冷氣抬升，降低了冷氣與主流的摻混程度债苍，使氣膜冷卻效率升高坠痒。

Fig. 10  Comparison of aerothermal properties of various channels[74]

以上結(jié)論都基于定轉(zhuǎn)速實(shí)驗(yàn)，而變轉(zhuǎn)速實(shí)驗(yàn)將更具體地體現(xiàn)旋轉(zhuǎn)對(duì)動(dòng)葉換熱率的影響咳铅。陶智选阔、Han Je-Chin和Liou Tong-Miin等對(duì)葉片弦中區(qū)內(nèi)部換熱受旋轉(zhuǎn)的影響做了大量研究。Huh等［77］發(fā)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下具椒，第一條光滑通道尾部的平均換熱率提高50%坎扰，但第二條光滑通道尾部的平均換熱率降低30%，且?guī)Ю咄ǖ赖钠骄鶕Q熱率受旋轉(zhuǎn)的影響與光滑通道相似斧壮。在帶肋蛇形通道中［78］（Re=3×104~7×104）物虑，由于輪轂轉(zhuǎn)折區(qū)域的浮生力效應(yīng)，旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下第一條通道內(nèi)換熱率升高蔬咬，第二條通道內(nèi)換熱率降低鲤遥。并且，在高雷諾數(shù)時(shí)［79］（Re=7.5×104~1.65×105）林艘，第二條通道內(nèi)換熱率降低了15%盖奈。而Liou等［80-81］主要整理了旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下二回路光滑通道與帶45°傾斜肋方形通道無量綱努塞爾數(shù)與雷諾數(shù)、旋轉(zhuǎn)數(shù)和浮升數(shù)的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式狐援，并且钢坦，他發(fā)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下帶肋方形通道的總壓損失系數(shù)為靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)的1.05~5.20倍，前部與后部的努塞爾數(shù)分別為靜止?fàn)顟B(tài)的0.78~1.34和1.09~1.38倍［82］咕村。除旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下內(nèi)冷通道內(nèi)換熱率受雷諾數(shù)影響的研究外场钉，Tao等［83］實(shí)驗(yàn)研究了旋轉(zhuǎn)數(shù)為0~0.52時(shí)湍流度對(duì)方形通道內(nèi)換熱率的影響蚊俺，在靜止?fàn)顟B(tài)懈涛，通道內(nèi)傳熱效果幾乎不受湍流度影響逛万，在旋轉(zhuǎn)數(shù)增大時(shí)，通道內(nèi)換熱率在不同湍流度時(shí)的差異更明顯批钠，但由于冷氣受哥氏力作用向尾緣移動(dòng)宇植，通道尾部的換熱率隨湍流度的影響高于通道前部。此外了岸，Tao等［84］也發(fā)現(xiàn)熱邊界條件對(duì)方形通道換熱產(chǎn)生重要影響颗屏，壁面無加熱狀態(tài)時(shí)，隨旋轉(zhuǎn)數(shù)增大造蒋，通道內(nèi)橫截面出現(xiàn)兩個(gè)小尺度渦對(duì)卑托，且此渦對(duì)強(qiáng)度在通道前部相對(duì)較弱，因此前部或后部加熱時(shí)篱辫，通道前部的換熱率比四面都加熱的工況高10%势粱。關(guān)于葉片弦中區(qū)內(nèi)部換熱受旋轉(zhuǎn)影響的研究多被簡(jiǎn)化為光滑或帶肋方形、圓形和矩形通道彪珍，而Tao等［85］探究了旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下與葉片通道橫截面相似的帶肋雙通道內(nèi)的傳熱特性食土。結(jié)果顯示尾部換熱率受旋轉(zhuǎn)影響※劇烈，且較大的旋轉(zhuǎn)數(shù)下冷卻效果被增強(qiáng)屿拴。

在外部冷卻方面医熊，吳宏等［86］發(fā)現(xiàn)隨旋轉(zhuǎn)數(shù)增大，氣膜的偏轉(zhuǎn)程度變大笤茴，且凸表面的偏轉(zhuǎn)程度高于凹表面蚯唱，且凸表面的冷卻效率降低，凹表面的冷卻效率升高涕癣。真實(shí)葉片壓力面與吸力面的氣動(dòng)傳熱特性受旋轉(zhuǎn)的影響與凹面和凸面的結(jié)果相似哗蜈，Zhu等［87］研究了旋轉(zhuǎn)速度對(duì)壓力面氣膜冷卻效率的影響。結(jié)果顯示属划，旋轉(zhuǎn)破壞了靜止?fàn)顟B(tài)下氣膜覆蓋的均勻性恬叹，氣膜偏向葉尖移動(dòng)，并且削弱了冷氣流軸向動(dòng)量同眯，導(dǎo)致近圓柱形孔的區(qū)域冷卻效率升高绽昼，遠(yuǎn)孔區(qū)域冷卻效率降低（近葉尖區(qū)域除外）。而旋轉(zhuǎn)對(duì)異形孔形成的氣膜影響不明顯须蜗。Wang等［88］的結(jié)論顯示硅确，旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致吸力面氣膜冷卻效率降低。旋轉(zhuǎn)雷諾數(shù)由3528增大到5292時(shí)明肮，氣膜無量綱長(zhǎng)度由7減小到6菱农，展向氣膜冷卻效率迅速降低缭付；隨旋轉(zhuǎn)數(shù)增大辰斋，吸力面下游氣膜冷卻效率明顯降低棋捷，上游氣膜冷卻效率稍微降低。此外测扼，Zhou等［63］認(rèn)為岩哥，展向上在轮，哥氏力和離心力導(dǎo)致氣膜向葉尖偏移；主流方向上复罕，吸力面表面的氣膜覆蓋率決定于冷氣流軸向動(dòng)量與主流動(dòng)量的相對(duì)大小铣碴，若冷氣流軸向動(dòng)量小于主流動(dòng)量，則氣膜覆蓋率高塑业，若冷氣流軸向動(dòng)量大于主流動(dòng)量箱仰，則氣膜易從表面分離，導(dǎo)致冷卻效率降低低柑。

值得注意的是屁膝，Zurfi等［89］采用大渦模擬方法研究了旋轉(zhuǎn)數(shù)對(duì)動(dòng)葉壓力面和吸力面氣膜冷卻效率的影響。壓力面和吸力面各安裝一列圓柱形氣膜孔网赤，旋轉(zhuǎn)數(shù)分別為0.0251使萨，0.0293和0.0335。結(jié)果顯示族延，隨旋轉(zhuǎn)數(shù)增大锰扶，壓力面氣膜向葉肩偏移量增大，導(dǎo)致氣膜冷卻效率降低寝受，與Zhu等［87］的結(jié)論一致坷牛。但是，與Wang等［88］和Zhou等［63］的結(jié)果相反很澄，Zurfi等［89］認(rèn)為吸力面氣膜冷卻效率隨旋轉(zhuǎn)數(shù)增大而升高京闰。Li等［90］認(rèn)為吸力面氣膜冷卻效率隨旋轉(zhuǎn)速度增大的原因?yàn)闅饽は騼?nèi)偏移的趨勢(shì)被不斷減弱。

04

尾 緣

4.1 冷卻結(jié)構(gòu)

由于尾緣幾何形狀較小甩苛，需要設(shè)計(jì)兼顧結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和冷卻效率的冷卻結(jié)構(gòu)蹂楣。另一方面，尾緣處于葉片下游讯蒲，幾乎不受上游葉片產(chǎn)生的激波和尾跡影響痊土。因此，除尾緣渦旋冷卻結(jié)構(gòu)［91］外墨林，冷卻結(jié)構(gòu)的研究集中在凸起/凹坑以及銷翅參數(shù)等強(qiáng)化內(nèi)部換熱方面赁酝，外部換熱方面研究較少。

4.1.1 凸起/凹坑

在冷卻通道內(nèi)安裝凸起或凹坑可以提高二次流強(qiáng)度旭等，進(jìn)而強(qiáng)化內(nèi)部換熱［92］酌呆。Siddique等［93-94］的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示总党，橫向肋通過增加換熱區(qū)域以提高冷卻效率，而不是產(chǎn)生二次流忱脆，見圖11（a）橘匿，因此，雖然增加肋片可以提高冷卻效率曼沐，但是氣動(dòng)損失也隨之增大泛红。而Zhang等［95］發(fā)現(xiàn)一恃，與單純橫向肋相比搏贤，徑向貫穿肋與橫向肋的連接處產(chǎn)生了更多二次流，雖然導(dǎo)致氣動(dòng)損失增大桨檬，但是冷卻效率升高匿胎。并且安裝兩條徑向貫穿肋可以獲得卓越冷卻效率，詳見圖11（b）（其中u為當(dāng)?shù)厮俣戎谀瑄in為進(jìn)口速度）公垒。而饒宇等［96］的研究表明，在冷卻通道內(nèi)安裝W形肋也可以顯著提高內(nèi)流通道的換熱能力倍工。并且队魏，根據(jù)李彥霖等［97］的研究，V形肋和W形肋轉(zhuǎn)折處的二次流強(qiáng)度高于斜肋和直肋万搔，換熱效果隨之增強(qiáng)胡桨，這與Zhang等［95］的原理一致，但仍然會(huì)增大氣動(dòng)損失瞬雹。

Fig. 11  Results of different configurations

如圖12所示（其中M為吹風(fēng)比昧谊，下標(biāo)aw代表絕熱壁面），Martini等［98］發(fā)現(xiàn)由于兩個(gè)或三個(gè)相鄰噴嘴流出的冷氣隨機(jī)組合酗捌，導(dǎo)致尾緣區(qū)域溫度分布不均呢诬。而Taslim等［99］研究了帶肋片尾緣沖擊冷卻的冷卻效率，試驗(yàn)段由11個(gè)橫跨噴嘴胖缤、11個(gè)不同角度肋和兩個(gè)冷卻通道組成尚镰。冷氣流沖擊肋片后，形成的渦增大了換熱系數(shù)哪廓，詳見圖13（a）（其中ω為渦量）狗唉，因此，肋軸線與噴嘴平行時(shí)撩独，隨雷諾數(shù)增大草悦，努塞爾數(shù)增大。并且匠凤，當(dāng)噴嘴傾斜5°時(shí)蝠兽，可以得到更高的冷卻效率［100］衡孽。Xue等［101］在此基礎(chǔ)上，研究了出氣孔位置對(duì)冷卻效率的影響警综，除出口位置不同外谨寂，其他條件和設(shè)備與Taslim等［99］實(shí)驗(yàn)相同。結(jié)果見圖13（b）與圖13（c）呵寂，高雷諾數(shù)時(shí)脆携，通道端部出口結(jié)構(gòu)可以獲得較高冷卻效率；而低雷諾數(shù)時(shí)豌魏，兩種出口位置得到的換熱系數(shù)幾乎沒有差異瞭核。雷諾數(shù)相同時(shí)，肋軸線與噴嘴平行的條件下唉私，軸向狹縫出口結(jié)構(gòu)導(dǎo)致目標(biāo)面上噴射氣流量降低绎蒙，因此，獲得的傳熱系數(shù)※心硪辈灼；而端部出口結(jié)構(gòu)可以獲得※大傳熱系數(shù)。

Fig. 12  Contour of adiabatic film cooling effectiveness[98]

Fig. 13  Different array of ribs and outlet

近四十年的內(nèi)部強(qiáng)化冷卻研究表明也榄，與凸起和銷翅相比巡莹，凹坑的壓力損失※低，但是冷氣流接觸凹坑時(shí)的氣流分離-再附的現(xiàn)象導(dǎo)致凹坑內(nèi)部冷卻效率較高甜紫，而在下游急劇惡化降宅。Murata等［102］和Yamamoto等［103］研究了淚滴狀凹坑的傾斜角度和排列方式對(duì)尾緣氣動(dòng)傳熱的影響，傾角為30°時(shí)棵介，與叉排結(jié)構(gòu)相反钉鸯，順排結(jié)構(gòu)可以有效抑制氣流分離，獲得了較大換熱系數(shù)邮辽，見圖14（其中H為冷氣通道高度）唠雕，并且靜熱流減小量比叉排結(jié)構(gòu)多14%~24%。但是在所有結(jié)構(gòu)中吨述，獲得的氣膜冷卻效率幾乎相同岩睁。Kaur等［104］研究了形狀相同的V形凹坑和凸起結(jié)構(gòu)對(duì)尾緣換熱性能的影響。結(jié)果見圖15阅王，與其他凹坑結(jié)構(gòu)相同湖生，V形凹坑產(chǎn)生的努塞爾數(shù)不隨雷諾數(shù)變化，但是采用V形凸起時(shí)培扳，隨雷諾數(shù)增大澳敞，努塞爾數(shù)減小，摩擦系數(shù)增大硫薇。因此宴宠，雷諾數(shù)※小時(shí)澳券，V形凸起獲得※佳氣熱性能（氣熱性能的定義見式（1），比V形凹坑高40.4%碾危。在單純的凹坑或凸起的優(yōu)化陷入僵局時(shí)乎渊，專家們將研究方向轉(zhuǎn)向二者優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的復(fù)合結(jié)構(gòu)。Zhang等［105］發(fā)現(xiàn)丛铅，V形凹坑與V形微型肋結(jié)合時(shí)崩蚀，比單純V形凹坑的換熱能力增強(qiáng)60%。此后壤趴，Kaur等［106］對(duì)比了V形微型肋涎拉、V形凹坑與V形凸起的相互復(fù)合結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)V形微型肋與V形凸起的復(fù)合結(jié)構(gòu)可以獲得更高的氣熱性能灵寺。但是曼库，Kaur等［104，106］沒有研究叉排布置時(shí)略板，V形凸起與凹坑氣熱性能的優(yōu)劣，并且目前關(guān)于凹坑與凸起配合使用的文獻(xiàn)尚不多見慈缔，產(chǎn)生更好氣熱性能的凸起或者凹坑形狀有待發(fā)掘叮称。

Fig. 14  Ratio of local Nu to total Nu at M=1.0[102]

Fig. 15  Streamlines, velocity, and temperature contours of V-shaped concavities and protrusions at Re=3×104 [104]

4.1.2 銷 翅

銷翅應(yīng)用在渦輪內(nèi)部的研究始于20世紀(jì)80年代，由于在狹長(zhǎng)的尾緣內(nèi)部藐鹤，銷翅既可以增加換熱面積瓤檐，又可以增大冷氣流的湍流度，因此可以作為尾緣冷卻結(jié)構(gòu)娱节，并且銷翅的排列方式和形狀的優(yōu)化仍然是研究熱點(diǎn)挠蛉。圖16為Gao等［107］的實(shí)驗(yàn)結(jié)果（其中H為狹縫出口處高度），與直肋相比肄满，銷翅陣列產(chǎn)生的氣膜覆蓋率更均勻谴古。在Hussain等［108］的實(shí)驗(yàn)中，銷翅順排布置拭兢，并且在每排銷翅前安裝了湍流發(fā)生器少镇。湍流發(fā)生器相對(duì)于主流方向的角度和與銷翅的距離為實(shí)驗(yàn)變量。結(jié)果見圖17孟掺，湍流發(fā)生器不僅可以擾亂邊界層效荷，加劇渦之間的混合，其本身還可以增加換熱面積喂搬。在較大的攻角（45°）下密士，湍流發(fā)生器與銷翅距離適中時(shí)，可以獲得更高的冷卻效率熙拐。

Fig. 16  Distribution of adiabatic film cooling efficiency of three rib structures[107]

Fig. 17  Effects of Re on cooling effectiveness at different angles of attack[108]

但是孙般，Carosio等［109］對(duì)比了平板形肋與銷翅獲得的尾緣冷卻效率辽蚀，詳見圖18。安裝平板形肋時(shí)丽信，氣流分離程度和湍流度較小泳落，馬蹄渦強(qiáng)度較大，并且平板形肋的安裝數(shù)量大于3時(shí)物忠，獲得了更好的傳熱效果婚被。因此，平板形肋具有更好的傳熱效果和較低的氣動(dòng)損失梳虽。而Kamat等［110］研究了尾緣區(qū)域圓柱形銷翅（直徑分別為2mm和4mm）和三棱柱形銷翅（邊長(zhǎng)分別為2mm和4mm）獲得的冷卻效果址芯。結(jié)果顯示，邊長(zhǎng)為4mm的三棱柱形銷翅具有卓越的換熱系數(shù)窜觉，尾緣平均溫度降低32%谷炸。

Fig. 18  Temperature distribution of circular fin and plate fin structure[109]

因此，圓形銷翅的冷卻效果沒有平板型肋和三棱柱穿孔優(yōu)越禀挫。雖然銷翅增強(qiáng)了換熱效果旬陡，但是犧牲了氣動(dòng)性能，銷翅的形狀依然存在研發(fā)空間语婴，例如變截面銷翅等描孟。

Baek等［111］對(duì)比了光滑與安裝交錯(cuò)肋的三角形通道換熱性能，冷卻介質(zhì)為水砰左。結(jié)果見圖19（其中ub為牽連速度）匿醒，相對(duì)于無肋通道，尖角區(qū)域壁面處的水流受肋的引導(dǎo)而遠(yuǎn)離缠导，隨著移動(dòng)路程變長(zhǎng)抢妈，這股二次流進(jìn)入通道中心，然后重新進(jìn)入尖角區(qū)域恋晃，導(dǎo)致尖角區(qū)域的流速加快栖俐，增強(qiáng)了尖角區(qū)域的對(duì)流換熱，但是交錯(cuò)肋導(dǎo)致摩擦因子增大13%漫诬。Beniaiche等［112-113］試驗(yàn)采用的梯形通道內(nèi)壁面光滑确羹，尖角區(qū)域布置7個(gè)軸向基座。結(jié)果顯示胀垃，在靜止?fàn)顟B(tài)下癣偶，換熱系數(shù)的增大是因?yàn)椋豪錃饬鹘?jīng)過基座時(shí)與壁面和基座表面的邊界層混合，產(chǎn)生的馬蹄渦導(dǎo)致冷氣加速流過熱表面据滑。這一結(jié)論與文獻(xiàn)［114-117］結(jié)論一致恃楔。另外，Armellini等［118］發(fā)現(xiàn)，在梯形通道內(nèi)安裝肋片可以增大尾緣換熱系數(shù)涡写，減小氣動(dòng)損失菩擦。因此，未來可以通過優(yōu)化梯形通道和尖角區(qū)域內(nèi)肋和基座的形狀搅窿、大小嘁酿、安裝角度和排列方式等方法，進(jìn)一步增大換熱系數(shù)男应，減小氣動(dòng)損失闹司。

Fig. 19  Cross-sectional secondary flow contours: MRV (upper) and LES (lower)[111]

值得注意的是，Schekman等［119］提出沐飘，由于換熱分布相似游桩，先前研究認(rèn)為沖擊冷卻產(chǎn)生的端壁二次流與馬蹄渦相似，而沒有充分研究邊界層擾動(dòng)耐朴。因此借卧，他通過實(shí)驗(yàn)研究了沖擊銷翅陣列的結(jié)構(gòu)對(duì)尾緣換熱效果的影響，詳見圖20（其中l(wèi)為噴射距離筛峭，D為擾流柱直徑铐刘，Dj為沖擊孔直徑，h為對(duì)流換熱系數(shù)）蜒滩。結(jié)果顯示沖擊形成的端壁流與馬蹄渦的相似性依賴于噴孔與銷翅的直徑比和噴孔與銷翅的相對(duì)距離滨达。保證噴射氣流可以到達(dá)銷翅的條件下，如果噴射氣流到達(dá)銷翅前沒有形成明顯的端壁流绍掂，則沖擊流在銷翅上分離為兩個(gè)端壁渦，而不是馬蹄渦钟唯；如果噴射氣流到達(dá)銷翅之前形成明顯的端壁流识俄，則可以形成類似于低雷諾數(shù)時(shí)的馬蹄渦。并且端壁邊界層的程度可以影響銷翅前緣區(qū)域的傳熱效果焚痰。

Fig. 20  When l/Dj is equal to 2.0,4.0, and 8.0 respectively, the flow mechanism and corresponding heat transfer diagram of the symmetrical surface and the end wall surface[119]

4.1.3 外部換熱

葉片尾緣的氣膜冷卻研究已持續(xù)了五十多年纫蝗，早期研究?jī)H限于吹風(fēng)比和狹縫的幾何參數(shù)，而安裝擴(kuò)展板可以增大尾緣外部冷卻效率盯萄。圖21為Horbach等［120-121］試驗(yàn)段結(jié)構(gòu)仇韩。橢圓形銷翅陣列得到的冷卻效率比圓柱形高，銷翅長(zhǎng)軸與主流方向平行時(shí)用牲，氣膜冷卻效率幾乎沒有變化塌纯，但是排氣損失降低；長(zhǎng)軸與展向平行時(shí)勋酿，冷氣通道被堵塞隆肪，氣膜冷卻效率與排氣損失都降低，因此銷翅形狀對(duì)尾緣區(qū)域外部氣膜冷卻效率影響較小。而安裝分隔肋可以降低渦分離程度怀樟，增強(qiáng)換熱效果功偿。Yang等［122］研究了分隔肋形狀對(duì)尾緣氣膜冷卻效率的影響。圓形分隔肋表面氣膜冷卻效率較高往堡，并且尾緣總體平均氣膜冷卻效率提高15%~20%械荷，如圖22所示。葉林等［123］嘗試在分隔肋間安裝直肋虑灰，發(fā)現(xiàn)冷卻效果的提升受控于肋寬吨瞎、劈縫擴(kuò)張程度和吹風(fēng)比。為增大氣膜覆蓋面積瘩缆，可嘗試采用凹面結(jié)構(gòu)代替直肋等凸起結(jié)構(gòu)关拒。總之庸娱，安裝分隔肋可以增強(qiáng)尾緣冷卻效率着绊，而狹槽和分隔肋的形狀、大小熟尉、位置归露、排列等參數(shù)依然存在研究潛力，相關(guān)研究可參閱文獻(xiàn)［124-126］坠街。

Fig. 21  Trailing edge slot structures[121]

Fig. 22  Comparison of cooling effectiveness[122]

4.2 劈縫參數(shù)

2006年种烫，Cunha等［127］首先探究了尾緣冷卻結(jié)構(gòu)的一維溫度分布，發(fā)現(xiàn)半開縫結(jié)構(gòu)的氣熱性能高于對(duì)開縫結(jié)構(gòu)墅失，而半開縫唇板形狀鼻御、厚度等幾何因素也深刻影響冷氣流場(chǎng)。圖21為Horbach等［120-121］實(shí)驗(yàn)中的上唇板形狀筑渴，結(jié)果顯示上唇板為圓形時(shí)贰筹，劈縫處壓力增加，使排放系數(shù)增大磕阱，增強(qiáng)換熱效果前挡。并且，改善下唇板形狀也可以增加射流剛性情澈，使氣流分離點(diǎn)后移屎谆。

根據(jù)Joo等［128］的觀點(diǎn)，上唇板越厚瘤琐，渦越易從壁面分離琐览，氣膜冷卻效率越低。不同尾緣相對(duì)厚度見圖21（相對(duì)厚度為上板厚度與劈縫厚度之比）凯傲。結(jié)果顯示上壁越厚犬辰，平均氣膜冷卻效率越低，與Gao等［107］的結(jié)論一致。而黃春光等［129］發(fā)現(xiàn)幌缝，下唇板厚度抬升一個(gè)邊界層厚度時(shí)灸促，可以獲得卓越的氣熱性能。近年涵卵，淺槽孔作為狹縫冷卻的新結(jié)構(gòu)浴栽，由安裝在狹槽底部的一列氣膜孔和狹槽組成，Krishna等［130］研究了狹槽寬度和形狀對(duì)氣膜冷卻效率的影響轿偎，結(jié)果顯示典鸡，在所有吹風(fēng)比條件下，具有15°傾角且寬度與氣膜孔直徑相同的結(jié)構(gòu)具有卓越氣膜冷卻效率坏晦。但是萝玷，目前尚不清楚淺槽孔獲得的氣熱性能是否比Zhang等［62］提出的狹縫冷卻獲得的氣熱性能高。

在1990年昆婿，Taslim等［131］首先研究了尾緣狹縫出口角度對(duì)冷卻效率的影響立骄，但是實(shí)驗(yàn)條件并不在現(xiàn)代渦輪運(yùn)行參數(shù)的范圍內(nèi)，因此贞倒，Effendy等［132］研究了劈縫出口角度對(duì)現(xiàn)代渦輪尾緣冷卻效率和排氣系數(shù)的影響辨埃。結(jié)果顯示，隨劈縫出口角度增大紫颈，排氣系數(shù)減小下风，即減少了冷氣通道的壓力損失；雖然傳熱系數(shù)降低嘁汗，但是主流與冷氣摻混程度減弱鹤肥，因此劈縫出口角度為15°時(shí)，可以獲得※佳絕熱氣膜冷卻效率和※低壓力損失揣恳。

因此侵宝，由已發(fā)表的文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，改良劈縫唇板形狀继韵、減小上唇板厚度、增大下唇板厚度和增大出口角度可以獲得比較高的冷卻效率胆誊，當(dāng)然這些結(jié)論并不絕※一死，目前尚無關(guān)于劈縫參數(shù)的優(yōu)化研究。

4.3 旋轉(zhuǎn)作用

以上結(jié)論都基于靜止實(shí)驗(yàn)傻唾，而在動(dòng)葉尾緣內(nèi)部投慈，旋轉(zhuǎn)通過改變冷卻通道內(nèi)哥氏力、浮升力和離心力的大小影響冷卻效率冠骄。并且根據(jù)陶智等［133］的結(jié)論伪煤，旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下內(nèi)部冷卻通道的方向深刻影響楔形通道內(nèi)的氣動(dòng)傳熱特性。Beniaiche等［112-113］不僅研究了靜止?fàn)顟B(tài)下梯形通道內(nèi)部安裝基座時(shí)的氣動(dòng)傳熱特性，還研究了旋轉(zhuǎn)對(duì)梯形通道內(nèi)氣動(dòng)傳熱特性的影響抱既，即在梯形通道中部职烧，回流區(qū)的尺寸受離心力和科氏力作用，隨旋轉(zhuǎn)數(shù)增大防泵，近壁流的大幅加速導(dǎo)致邊界層變薄蚀之，隨后馬蹄形渦消失，換熱效率提高捷泞，這一結(jié)論與文獻(xiàn)［134］相同足删。

旋轉(zhuǎn)對(duì)不同內(nèi)部冷卻結(jié)構(gòu)的影響是不同的，趙斌等［135］研究了旋轉(zhuǎn)數(shù)對(duì)帶有交錯(cuò)肋和柱肋的楔形尾緣冷卻效率的影響锁右。旋轉(zhuǎn)數(shù)為0~0.6搜痕，發(fā)現(xiàn)在交錯(cuò)肋段，旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的哥氏力導(dǎo)致主流向肋后緣面偏移队趁，相對(duì)于靜止?fàn)顟B(tài)绍撇，前緣面努塞爾數(shù)減小20%，后緣面努塞爾數(shù)增大25%木鸭。在柱肋段夯架，旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力增強(qiáng)了冷氣對(duì)柱肋的沖擊強(qiáng)度，使柱肋低半徑處換熱增強(qiáng)巴俯，并且減小了柱肋段的過渡發(fā)展段尺度批痘。與此相同，Han等［136］認(rèn)為在含翅片或光滑楔形通道中漏炕，旋轉(zhuǎn)和翅片造成的渦系增大了平均內(nèi)部換熱系數(shù)舌恬，但尾緣面的換熱系數(shù)增大，前緣面的換熱系數(shù)減小扭享。并且在哥氏力作用下坠行，圓形銷翅觸發(fā)的端壁渦牢固的附著在后緣端壁上，但是在前緣端壁處上升续膳，因此后緣端壁的換熱率始終高于前緣端壁［137］改艇。而在帶有菱形翅片的矩形通道中［138］，隨旋轉(zhuǎn)數(shù)增大坟岔，雖然尾緣端壁的換熱率總高于前緣端壁谒兄，但是前緣端壁的換熱率先降低后升高。因此社付，動(dòng)葉尾緣內(nèi)部冷卻通道的設(shè)計(jì)需要著重考慮旋轉(zhuǎn)因素承疲，尤其與其他結(jié)構(gòu)復(fù)合冷卻時(shí)。Chang等［139］發(fā)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下鸥咖，帶肋梯形雙通道的傳熱因頂部放氣而惡化燕鸽，在旋轉(zhuǎn)數(shù)為0.1~0.8內(nèi)兄世，相對(duì)于不放氣工況，通道前緣和后緣中心線的換熱率分別降低了25%~50%啊研，25%~40%御滩。而Xu等［140］研究了旋轉(zhuǎn)對(duì)帶狹槽和側(cè)墻噴射矩形通道冷卻效率的影響。結(jié)果顯示悲伶，狹槽減弱了旋轉(zhuǎn)對(duì)冷卻效率的影響艾恼，在相同進(jìn)口旋轉(zhuǎn)數(shù)下，通道內(nèi)高溫區(qū)與高旋轉(zhuǎn)浮生數(shù)分布對(duì)應(yīng)锨耍，在狹槽內(nèi)抑制漩渦區(qū)域的發(fā)展执摆，并增大了再附著區(qū)域，進(jìn)而提高冷卻效率平俩。

綜上缅叔，相同條件下，尾緣在旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下獲得的冷卻效率比靜止?fàn)顟B(tài)高泡缠。

05

未來葉片冷卻的發(fā)展趨勢(shì)

20世紀(jì)50年代趟蛋，美國(guó)首先采用熔模鑄造方法制造航空發(fā)動(dòng)機(jī)空心渦輪葉片，隨后渦輪葉片的制造工藝不斷提高鼎示，從有余量加工到無余量加工同嚷，再到目前※優(yōu)良的單晶無余量空心葉片加工，冷卻結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度也隨之提高虫店。但是提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)的推重比是科學(xué)家們永恒的追求甫知，不斷提升的工作溫度迫使渦輪葉片冷卻結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，同時(shí)對(duì)渦輪葉片的制造工藝提出更高的要求愁霞。20世紀(jì)末先后出現(xiàn)鑄冷技術(shù)和3D增材制造技術(shù)诡蜓，鑄造工藝的革新一方面使航空發(fā)動(dòng)機(jī)零件的加工成本降低，例如2020年7月胰挑，俄羅斯3D打印的輕型航空發(fā)動(dòng)機(jī)通過飛行實(shí)驗(yàn)蔓罚，與常規(guī)制造相比，其生產(chǎn)時(shí)間縮短為原來的1/20瞻颂，成本降為原來的1/2豺谈，并計(jì)劃在2021年開始量產(chǎn)；另一方面使更復(fù)雜和狹小的內(nèi)流通道加工成為可行贡这，渦輪冷卻的研究方向開始向復(fù)合冷卻結(jié)構(gòu)傾斜核无，例如受限空間沖擊/渦旋+氣膜+擾流肋、微型肋/銷翅+凹坑等藕坯。因此，隨加工工藝的進(jìn)步噪沙，未來氣冷渦輪葉片的發(fā)展趨勢(shì)依然是優(yōu)化冷卻結(jié)構(gòu)炼彪，以適應(yīng)不斷提高的工作溫度吐根；另外，探究受限空間內(nèi)復(fù)合冷卻結(jié)構(gòu)在靜止和旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下的氣動(dòng)傳熱特性將是主要研究方向之一辐马；但是依然存在挑戰(zhàn)和難點(diǎn)拷橘。具體分為以下三點(diǎn)。

（1）在內(nèi)部冷卻方面蔚芥，需要改善內(nèi)部冷卻結(jié)構(gòu)拨臂，合理控制冷氣流動(dòng)，在提高冷卻效率的同時(shí)秤皿，要兼顧冷卻效率均勻分布基际。例如，渦旋冷卻办溶、蛇形通道及微尺度通道等結(jié)構(gòu)具有這方面的優(yōu)勢(shì)袍砚，但是，渦旋冷卻效率低于沖擊冷卻效率抠阴，因此槐伍，未來可以在二者結(jié)合的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化研究，實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)粥割，并且與氣膜冷卻和擾流肋組成復(fù)合冷卻結(jié)構(gòu)凌红；蛇形和微尺度通道的氣動(dòng)損失較大，未來可以借助氣熱耦合方法改進(jìn)兼顧冷卻效率和氣動(dòng)損失的內(nèi)冷通道突妇，并且3D打印技術(shù)的出現(xiàn)使狹長(zhǎng)通道內(nèi)布置凸起硬纤、凹坑和肋片的復(fù)合結(jié)構(gòu)成為可行。

（2）在葉片前緣碘梢、中弦和尾緣區(qū)域咬摇，優(yōu)化外部冷卻結(jié)構(gòu)的形狀和排列方式依然是研究熱點(diǎn)，使氣膜的覆蓋面積更大煞躬，貼壁能力更高肛鹏。例如，與傳統(tǒng)圓柱形孔相比恩沛，異形孔和淺槽孔等冷卻結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的氣膜在展向上分布更廣在扰，并且流向上延伸距離更長(zhǎng)，但是在前緣滯止區(qū)雷客，氣膜孔的位置需要謹(jǐn)慎選擇芒珠，這將影響冷氣量流向吸力面和壓力面的比例，進(jìn)而影響前緣的氣膜覆蓋程度搅裙；并且皱卓，在靠近葉肩和輪轂的區(qū)域，由于渦系的影響部逮，氣膜容易從壁面抬升娜汁，熱應(yīng)力較大臀匹；另外，吸力面上較大曲率處的逆壓梯度易導(dǎo)致氣膜分離油后，這一問題至今沒有得到有效解決挠站。

（3）在優(yōu)化冷卻結(jié)構(gòu)的進(jìn)程中，氣膜孔的總體出口面積增大容书，葉片內(nèi)部空心腔室更多恃藐，在未研發(fā)出超耐溫材料和制造工藝受限的狀態(tài)下，提高冷卻效率的同時(shí)藤棕，減少冷氣量和保證葉片結(jié)構(gòu)強(qiáng)度依然是渦輪葉片冷卻的難點(diǎn)自拖。值得思考的是，在冷氣流量和溫度相同的前提下進(jìn)行復(fù)合冷卻優(yōu)化是一個(gè)悖論遭歉，以沖擊+氣膜復(fù)合冷卻結(jié)構(gòu)為例虫犀，此時(shí)冷氣流的熱容量被固定，若沖擊冷卻效率較高肪援，則被氣膜孔抽出的冷氣流溫度升高证莺，氣膜冷卻效率便會(huì)降低。因此堕义，在復(fù)合冷卻優(yōu)化時(shí)應(yīng)著重考慮冷卻效率的分配猜旬，才能獲得※佳綜合冷卻效率。

另外倦卖，由于轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)的難度和成本高于靜止實(shí)驗(yàn)洒擦，旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下動(dòng)葉冷卻結(jié)構(gòu)氣動(dòng)傳熱性能的研究尚不充分，尤其是渦旋冷卻怕膛、復(fù)合冷卻和尾緣內(nèi)部冷卻熟嫩。為避免或利用哥氏力和浮生力的影響，動(dòng)葉中的冷卻結(jié)構(gòu)需要單獨(dú)優(yōu)化褐捻，并且隨航空發(fā)動(dòng)機(jī)推重比增大掸茅，動(dòng)葉的工作溫度必然提高，迫使其應(yīng)用更復(fù)雜的冷卻結(jié)構(gòu)柠逞。

06

結(jié)論

經(jīng)過整理和分析航空發(fā)動(dòng)機(jī)各區(qū)域冷卻結(jié)構(gòu)的研究現(xiàn)狀昧狮，得出如下結(jié)論：

（1）前緣內(nèi)部冷卻結(jié)構(gòu)采用沖擊冷卻可以獲得較高換熱系數(shù)，但是分布不均勻板壮，而渦旋冷卻可以有效減小葉片前緣區(qū)域的高溫區(qū)逗鸣，因此渦旋冷卻和沖擊冷卻的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)成為改善前緣冷卻效率的焦點(diǎn)。隨著加工工藝革新僵卿，中弦區(qū)的冷卻通道和湍流器更復(fù)雜特与，以獲得高冷卻效率，其細(xì)節(jié)優(yōu)化依然是研究熱點(diǎn)正庙。尾緣內(nèi)部噴嘴與肋的相對(duì)位置儿趋，冷氣流出口位置以及銷翅的排列方式档低、形狀都深刻影響冷卻效率，在大小和形狀相同的前提下蛔乖，凸起比凹坑獲得的冷卻效率高，但凹坑的氣動(dòng)損失更小踏拓。

（2）前緣和中弦外部氣膜孔設(shè)計(jì)原則為：增大氣冷出口面積赃剂，減弱冷氣流出口動(dòng)量，增加氣膜覆蓋面積韩烹，減少冷氣流與主流的摻混損失淑停。因此，形成了異形孔酿势、三腳架形孔以及主孔和輔助孔等氣孔結(jié)構(gòu)锰抡，甚至出現(xiàn)劈縫結(jié)構(gòu)。它們的冷卻效率都比圓柱形氣膜孔高互艾，未來可以采用類比方法獲得兼顧冷卻效率和氣動(dòng)損失的氣孔結(jié)構(gòu)试和。尾緣外部安裝擴(kuò)展孔可以增大冷卻效率，而擴(kuò)展孔形狀纫普、大小阅悍、位置和排列方式依然存在研究潛力。氣膜孔出流角度越小昨稼，氣膜越容易貼附于壁面节视，尤其存在激波時(shí)，而劈縫出流角度的影響與氣膜孔相反假栓。

（3）孔距過大導(dǎo)致氣膜覆蓋率降低寻行，過小則需要更多冷氣量，因此特定冷卻結(jié)構(gòu)存在※佳孔距匾荆。并且改良劈縫上唇板形狀拌蜘、減小上唇板厚度可以提高冷卻效率。采用高效和低成本的遺傳算法尋找※佳孔排布置或劈縫參數(shù)是未來研究方向之一棋凳。值得注意的是拦坠，可以通過沖擊+狹縫氣膜結(jié)合的方式避免前緣滯止線附近出現(xiàn)高溫區(qū)，但是可能帶來更多氣動(dòng)損失朵椿。

（4）受旋轉(zhuǎn)影響佳跃，前緣和尾緣的平均冷卻效率升高，壓力面冷卻效率降低俭宁，但是需要繼續(xù)深入研究旋轉(zhuǎn)對(duì)吸力面冷卻效率的影響啦别。并且，由于轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)的難度和成本較大贷营，關(guān)于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下動(dòng)葉冷卻結(jié)構(gòu)氣動(dòng)傳熱機(jī)理的研究尚不充分怯录，尤其是渦旋冷卻和復(fù)合冷卻尿欲。

（5）隨航空發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展和制造工藝的革新，氣冷渦輪葉片冷卻結(jié)構(gòu)向單種冷卻結(jié)構(gòu)優(yōu)化和復(fù)合冷卻結(jié)構(gòu)發(fā)展牡呀，但是氣動(dòng)損失和葉片結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等潛在問題也凸顯出來溜舷。

07

致 謝

感謝國(guó)家科技重大專項(xiàng)、國(guó)家自然科學(xué)基金以及王寬誠(chéng)教育基金會(huì)的資助轧黑。

孔祥燦 1,2   張子卿 1,3   朱俊強(qiáng) 1,3

徐進(jìn)良 2      張燕峰 1,3

1. 中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所 輕型動(dòng)力重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室开摄，北京 100190；

2. 華北電力大學(xué) 能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院且昭，北京 102206邦马；

3. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049

文章來源：《推進(jìn)技術(shù)》期刊

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