淺析氣膜冷卻效率的影響因素

吳冬

摘 ?要：為了提高航空燃氣渦輪發動機的性能，現代航空發動機渦輪前入口燃氣溫度越來越高，給發動機帶來一系列問題。為了保證渦輪安全正常的工作，必須為渦輪葉片進行有效的冷卻。目前航空發動機渦輪葉片上主要采用的冷卻方式是氣膜冷卻，它是一種十分有效的熱防護措施。本文通過分析比較國內外傳熱學者在改善氣膜冷卻效果方面大量的研究，提出了影響氣膜冷卻效果的因素：幾何因素、流動狀態。

關鍵詞：渦輪葉片;氣膜冷卻;氣膜冷卻效率

1 ?氣膜冷卻概述

氣膜冷卻是由壁面上的噴口噴出一股冷氣流（壓氣機出口氣流）來阻隔高溫燃氣對壁面加熱的一種十分有效的熱防護措施[1]，目的是隔熱和保護工作表面不被高溫燃氣腐蝕，它是航空發動機葉片上采用的冷卻方式之一，如圖1.1所示。

在工程上，氣膜冷卻效率是氣膜冷卻的一個重要指標，它用來衡量冷氣流對壁面保護效果的好壞，其定義為：

從冷卻效率的定義可知，冷卻效率越高，其被保護工作表面的溫度就越接近冷氣流溫度，氣膜冷卻效果就越好。

2 ?分析氣膜冷卻效率研究現狀

國內外傳熱學者在提高氣膜冷卻效率這個重要指標方面做了大量的實驗和理論研究。綜合來看，常常采用的方法有三個：一是在被保護工作表面增加一些特殊結構;二是研究新孔型;三是改變其流動因素。

（1）在被保護工作表面增加一些特殊結構

在被保護工作表面增加一些特殊結構，如給氣膜冷卻孔出口的工作壁面上增加橫向槽[2]和給氣膜冷卻孔上游表面安裝突片等一些特殊結構。分析表明：在氣膜冷卻孔出口增加橫向槽，冷氣流首先在橫向槽內擴散、減速，使得冷氣貼附在工作壁面，阻隔高溫燃氣對工作表面加熱，氣膜冷卻效果也明顯改善;在給氣膜冷卻孔上游表面安裝突片，使得高溫燃氣核心區遠離工作壁面，從而避免了與從氣膜孔噴出的冷氣流的劇烈摻混，提高了冷氣有效利用率，使得冷卻效果顯著提高。

（2）研究新孔型

研究新孔型，如發現了扇形孔、錐形孔、簸箕形孔、雙扇形孔[3]、雙出口孔等，如圖2所示。分析表明：新型氣膜冷卻孔提供了氣膜冷卻和航空動力學方面的優勢，可以通過減少出口的冷氣流速度，使得冷氣膜很好地附著在葉片表面，提高了冷卻效果，同時，減少孔口處的回流而增加冷卻效率。

（3）改變其流動因素

改變其流動因素[4]，如改變主流湍流度，分析表明：湍流度越大，流動越混亂，冷氣膜沒有很好地附著在葉片表面，從而導致與主流摻混劇烈，氣膜冷卻效果降低。因此，氣膜冷卻效率隨湍流度的增大而降低，當湍流度較小時，可獲得高的冷卻效率。

3 ?總結

通過分析國內外傳熱學者在改善氣膜冷卻效果方面大量的研究，以上研究分析得出：提高氣膜冷卻效率的主要措施是提高冷氣流的有效利用率，歸納起來有兩點：一是幾何因素，如改善氣膜孔及工作壁面的幾何結構等;另一方面是流動因素，如流湍流度等。

參考文獻：

[1] 曹玉璋，等.航空發動機傳熱學[M].北京：北京航空航天大學，2005.

[2] 蔣永健，何立明，于錦祿.利用橫向槽改善氣膜冷卻效率的數值模擬[J].推進技術，2008，29： 286-289，

[3] 廖乃冰，朱惠人，李廣超.雙扇形孔氣膜冷卻效率的研究[J].航空動力學報，Vol. 2008，23（11）：2082-2087，

[4] Kadotani， K.， and Goldstein， R.J. Effect of Mainstream Variable on Jets Issuing from a Row of Inclined Round Holes[C].ASME Paper No.78-GT-138，1978.