氣膜孔堵塞對凹槽葉頂冷卻傳熱性能的影響

摘要：采用數值方法，研究了燃氣透平葉片氣膜孔堵塞條件下凹槽葉頂的冷卻傳熱性能，獲得了3種吹風比M=0.5， 1.0， 1.5和不同堵塞比B=0， 0.2， 0.4， 0.6， 0.8條件下的凹槽葉頂的氣膜冷卻效率和傳熱系數分布。研究表明：氣膜孔堵塞會導致凹槽葉頂氣膜冷卻性能下降、熱負荷升高，堵塞比越大，凹槽葉頂的冷卻傳熱性能越差。氣膜孔堵塞顯著改變了葉頂區域的流場結構，加劇冷氣的抬升效應，導致冷氣過早離開凹槽。吹風比是影響堵塞工況下凹槽葉頂冷卻傳熱性能的重要因素，吹風比為1.0、堵塞比為0.8時，凹槽葉頂的面積平均氣膜冷卻效率相比于未堵塞時下降了64.88%、傳熱系數上升了13.01%。減小吹風比可以改善小堵塞比工況下的葉頂氣膜冷卻性能，吹風比為0.5、堵塞比為0.4時，葉頂平均氣膜冷卻效率僅下降了6.82%，但小吹風比會導致大堵塞比工況下的氣膜冷卻性能惡化嚴重，吹風比為0.5、堵塞比為0.8時，平均氣膜冷卻效率下降了82.09%。增大吹風比，可改善大堵塞比工況下的葉頂氣膜冷卻性能，吹風比為1.5、堵塞比為0.8條件下葉頂平均氣膜冷卻效率下降了51.34%、傳熱系數上升了11.52%。

關鍵詞：燃氣透平；凹槽葉頂；氣膜孔堵塞；氣膜冷卻；傳熱；吹風比

中圖分類號：TK474.7 文獻標志碼：A

DOI：10.7652/xjtuxb202406013 文章編號：0253-987X（2024）06-0139-14

Effects of Film Cooling Hole Blockage on Cooling and Heat Transfer Performance at Squealer Tip

XU Kewen， HE Kun， YAN Xin

（School of Energy and Power Engineering， Xi’an Jiaotong University， Xi’an 710049， China）

Abstract：Film cooling and heat transfer performance on the squealer tip with different degrees of cooling-hole blockage are investigated using numerical methods. The film cooling effectiveness and heat transfer coefficient distribution on the squealer tip are obtained under three blowing ratios （M=0.5， 1.0， and 1.5） and five different blockage ratios （B=0， 0.2， 0.4， 0.6， and 0.8）. The results show that the cooling-hole blockage causes decrease of film cooling effect and increase of thermal load on the squealer tip. The film cooling effect and heat transfer performance on the squealer tip are deteriorated with increasing the blockage ratio. The blockage in film cooling holes significantly alters the flow structures in the squealer tip gap. With cooling-hole blockage， the lift-off effect of coolant in the squealer cavity will be aggravated， resulting in earlier leave of cooling flow from the squealer cavity. Generally， the blowing ratio is an important factor that affects the heat transfer and film cooling effect on the squealer tip under blockage conditions. Compared with the unblocked cases， the area-averaged film cooling effectiveness on the squealer tip decreases by 64.88%， and the heat transfer coefficient increases by 13.01%， at blowing ratio M=1.0 and blockage ratio B=0.8. Reducing the blowing ratio is conducive to the improvement of film cooling effectiveness on the squealer tip with small blockage ratio. The area-averaged film cooling effectiveness on the squealer tip only decreases by 6.82% at blowing ratio M=0.5 and blocking ratio B=0.4. However， in the case of small blow ratio， for example M=0.5， the film cooling effect on the squealer tip is deteriorated significantly under the condition of large blockage ratio. At blowing ratio M=0.5 and blocking ratio B=0.8， the area-averaged film cooling effectiveness on the squealer tip decreases by 82.09% compared with the unblocked case. The increase in blowing ratio can improve the film cooling effect on the squealer tip with large blockage ratio. Compared with the unblocked case， the area-averaged film cooling effectiveness on the squealer tip only decreases by 51.34% and the heat transfer coefficient increases by 11.52% at blowing ratio M=1.5 and blockage ratio B=0.8.

Keywords：gas turbine; squealer tip; hole blockage; film cooling; heat transfer; blowing ratio

為了實現更高的循環熱效率和比功率，現代燃氣透平普遍運行在極高的進口溫度下［1］。在燃氣透平葉片通道中，葉頂間隙區域存在復雜的流動結構、承受著高熱負荷，是透平葉片最難冷卻且最容易發生燒蝕失效的部位之一。為了降低葉頂區域的熱負荷，研發具有優良氣熱性能的葉頂結構［2］以及先進的氣膜冷卻技術［3］，是目前燃氣透平研究領域的熱點和難點。該方面的研究對于確保燃氣透平運行安全、延長葉片運行壽命具有重要的學術意義和工程促進價值［4］。

凹槽葉頂是現代燃氣透平動葉葉頂常用的結構。相對于傳統平葉頂，凹槽葉頂具有較高的氣動效率和降低的熱負荷水平，因此備受研究者和設計人員青睞。為進一步提升凹槽葉頂的氣熱性能，研究者針對凹槽葉頂的結構優化設計、流動傳熱機理分析和氣膜冷卻性能增強方面開展了深入的研究工作。吳琛琦等［5］采用數值模擬方法研究了不同射流角度下帶小翼凹槽葉頂的冷卻傳熱性能，通過調整冷卻孔的射流角，可使葉頂面積平均傳熱系數下降38%、氣膜冷卻效率增大42%。于金杏等［6］研究了壓力側氣膜孔形狀對凹槽葉頂冷卻傳熱性能的影響，研究發現：小射流角時使用擴張孔代替圓孔后壓力側傳熱系數下降了22%，氣膜冷卻效率增加了43%。秦正等［7］搭建了凹槽葉頂冷卻傳熱性能優化設計平臺，獲得了一種雙肩壁凹槽葉頂的優化結構，與原始設計相比，優化后的葉頂結構傳熱系數下降24.96%、氣膜冷卻效率增加5.38%。

在提升凹槽葉頂冷卻傳熱性能設計水平的同時，研究者也關注燃氣透平實際運行條件對葉頂整體氣熱性能的影響。在燃氣透平實際運行過程中，氣膜孔堵塞是最為常見的問題，造成氣膜孔異物附著堵塞的原因主要包括熱障涂層噴涂過程中的涂層材料堆積［8］、運行中吸入的灰塵雜質附著［9-10］和熱障涂層材料剝落等。不同程度的氣膜孔堵塞嚴重影響到葉片的氣熱性能和運行安全。Jovanovic等［11-12］研究了氣膜孔堵塞條件下吹風比、堵塞位置、堵塞比和湍流強度對壁面氣膜冷卻性能的影響，發現一定程度的堵塞有時能提高氣膜冷卻性能。黃珂楠等［13］的研究表明，位于氣膜孔前緣位置的局部堵塞會提高氣膜孔出口處的氣膜冷卻效率，但位于氣膜孔尾緣位置處的局部堵塞會導致氣膜冷卻效率降低，且降低程度隨堵塞比的增大而越明顯。Whitfield等［14］ 采用實驗方法研究了熱障涂層噴涂造成的氣膜孔堵塞對氣膜冷卻效率的影響，發現在小吹風比時堵塞對氣膜冷卻性能的影響程度較小，但在大吹風比條件下，由于堵塞導致壁面平均氣膜冷卻效率下降了75%。Wang等［15］研究了氣膜孔堵塞對壁面氣膜冷卻性能和壓力損失的影響，發現堵塞比增大會導致氣膜冷卻效率迅速降低、壓力損失增大。Tian等［16］的研究表明：堵塞物形狀、堵塞比是影響壁面氣膜冷卻性能的主要因素；相比于四面體形狀的堵塞，半球形堵塞會導致更差的氣膜冷卻性能。Lee等［17］研究了氣膜孔粗糙度和堵塞對壁面氣膜冷卻性能的影響，發現當氣膜孔堵塞率達到30%、60%時，平板壁面的氣膜冷卻效率相比于無堵塞時分別下降了7.7%、26%。

然而，上述的研究集中在分析堵塞程度對平板氣膜冷卻性能的影響，較少研究者關注氣膜孔堵塞條件下燃氣透平葉片端壁、吸力面、壓力面和尾緣等位置的氣膜冷卻性能。Bai等［18］通過實驗研究了氣膜孔堵塞對燃氣透平端壁氣膜冷卻性能的影響，指出堵塞比是影響端壁氣膜冷卻性能的主要因素，在大堵塞比時端壁氣膜冷卻效率可下降約30%；相比于堵塞比，堵塞角對氣膜冷卻性能的影響較弱；在相同的堵塞比時，堵塞角的變化對氣膜冷卻效率的影響小于10%。Zhang等［19］研究了堵塞比和吹風比對燃氣透平進口導葉吸力面氣膜冷卻性能的影響，當吹風比從0.7增加至1.4時，大堵塞比（0.8）條件下吸力面平均氣膜冷卻效率下降了55%～60%；而小堵塞比（0.2）條件下堵塞形成的圓角增強了冷卻射流的黏附性，改善了氣膜孔出口附近的氣膜冷卻性能。周君輝等［20］研究了氣膜孔堵塞對燃氣透平葉片壓力面處沖擊-擾流柱-氣膜結構綜合冷卻效率的影響，發現增大吹風比能有效改善堵塞條件下壓力面的綜合氣膜冷卻效率。Chung等［21］通過實驗研究了不同堵塞結構對燃氣透平葉片尾緣處的傳熱性能和壓力損失影響，發現尾緣處氣膜孔堵塞導致葉片通道中壓力損失增大、傳熱性能增強。

葉頂是燃氣透平葉片熱負荷最高、流動結構最復雜的區域之一。由于凹槽葉頂腔室存在著復雜的渦系結構［5-7］，容易誘發顆粒物沉積從而導致氣膜孔局部堵塞。氣膜孔堵塞后，凹槽葉頂區域的冷熱氣流作用機理、冷卻氣膜覆蓋特性和傳熱性能將發生不同程度的改變。然而，目前針對氣膜孔堵塞后的凹槽葉頂氣熱性能的研究尚十分稀少。因此，本文通過建立氣膜孔堵塞模型，針對典型燃氣透平葉片在不同程度的氣膜孔堵塞條件下的流動傳熱及氣膜冷卻特性開展研究，著重分析堵塞比和吹風比對凹槽葉頂區域的氣熱性能的影響規律，為燃氣透平凹槽葉頂的設計和運行性能的評估提供理論依據。

1 數值計算方法

1.1 氣膜孔堵塞模型

Bogard等［22］率先報道了燃氣透平氣膜孔中的堵塞物問題，堵塞氣膜孔的幾何模型如圖1所示。本文參考文獻［22］的照片以及文獻［14］所提的氣膜孔堵塞模型，建立了凹槽葉頂氣膜孔堵塞計算模型。堵塞物位于氣膜孔后緣，其幾何尺寸定義如下：堵塞物中截面頂部為圓弧，且與等腰三角形兩邊相切，堵塞物堆積角α與氣膜孔傾斜角β相等；L為氣膜孔長度，d為氣膜孔直徑，t為堵塞物的最大厚度。在本模型中L=6.00 mm，d=1.27 mm，α=β=45°，t由堵塞比B確定，堵塞比B定義為

1.2 計算模型

本文研究的對象為GE-E3航空發動機高壓透平第一級動葉［23］。與文獻［24］的實驗條件一致，數值計算采用的葉片型線由文獻［23］中的動葉原始型線放大3倍后得到。葉片的計算模型參數如表1所示，氣膜孔射流方向與凹槽底部壁面法向間的夾角為45°，且指向壓力側。本文的計算模型示意圖如圖2所示，氣膜孔沿流向依次命名為H1～H13，主流進、出口均為壓力邊界，冷卻氣流入口為流量入口邊界，鑒于葉片通道中流動的周期性，流道兩側設置為平移周期性邊界，與文獻［24］實驗條件一致。

凹槽葉頂在氣膜孔堵塞工況下的計算網格示意圖如圖3所示，采用ANSYS Workbench Meshing生成非結構化網格，近壁面第一層網格的厚度設置為0.001 mm，保證壁面處y+lt;1.0，滿足湍流模型計算精度要求。

1.4 湍流模型對比驗證

采用ANSYS CFX對堵塞工況下的凹槽葉頂冷卻傳熱性能進行數值求解，利用文獻［24］的凹槽葉頂實驗數據對湍流模型的計算精度進行考核，如圖4所示。在選取的湍流模型中，采用k-ω湍流模型計算的結果與實驗結果最為吻合。

3種湍流模型計算得到的凹槽底部節距平均氣膜冷卻效率和傳熱系數沿軸向的分布如圖5所示。從圖5可以看出， k-ε和SST k-ω湍流模型計算結果與實驗值偏差較大，本文最終采用k-ω湍流模型對不同堵塞工況下的葉頂冷卻傳熱性能進行計算。

1.5 網格無關性分析

在數值計算中，網格的疏密會對計算精度產生影響。為研究網格疏密對數值計算結果的影響，本文生成了612、985、2 074萬這3套網格。不同網格數時計算得到的凹槽葉頂面積平均傳熱系數如表3所示。當計算網格數達到985萬時，計算結果與Richardson外推值490.83［25］的誤差約為1%，且繼續增大網格數對計算結果的影響較小，因此最終采用985萬網格對凹槽葉頂的冷卻傳熱性能進行研究。

2 結果與討論

2.1 堵塞比對凹槽葉頂冷卻傳熱和氣動性能的影響

本節在吹風比M=1.0條件下，研究堵塞比B為0、0.2、0.4、0.6、0.8時凹槽葉頂冷卻傳熱和氣動性能。

2.1.1 凹槽葉頂氣膜冷卻效率分布

不同堵塞比時凹槽葉頂的氣膜冷卻效率云圖如圖6所示，可知隨堵塞比增大，凹槽葉頂整體氣膜冷卻效率下降。堵塞比B=0時，葉頂壓力側中部和尾緣處氣膜冷卻效果較好，存在高氣膜冷卻效率區域A；當B=0.2時，凹槽葉頂氣膜冷卻性能幾乎無變化，說明程度較輕的氣膜孔堵塞對凹槽葉頂整體氣膜冷卻性能影響不大；但當B=0.4時，葉頂中部和尾緣處的氣膜冷卻效率明顯降低，高氣膜冷卻效率區域A面積減小，氣膜孔堵塞降低了葉頂的整體氣膜冷卻性能；當堵塞比進一步增大到0.6、0.8時，中部的高氣膜冷卻效率區域消失，僅在尾緣處存在小范圍的中等氣膜冷卻效率區域C，嚴重的氣膜孔堵塞惡化了葉頂區域的氣膜冷卻性能。不同堵塞比時的凹槽葉頂節距平均氣膜冷卻效率沿軸向分布如圖7所示。

相比于B=0的工況，堵塞比為0.2、0.4時凹槽葉頂前緣和中部的氣膜冷卻效率略有降低，堵塞比為0.6、0.8時凹槽葉頂中部區域的氣膜冷卻效率急劇降低，在葉頂尾緣處由于冷氣的聚集，導致氣膜冷卻效率有所升高。

不同堵塞比條件下凹槽底部的面積平均氣膜冷卻效率和相對B=0工況的氣膜冷卻效率降低百分比如表4所示。B=0.2時，凹槽底部的整體氣膜冷卻性能仍較好，但隨著堵塞比進一步增大，平均氣膜冷卻效率迅速降低：B=0.8時，凹槽底部平均氣膜冷卻效率下降了64.88%。

2.1.2 凹槽葉頂流場結構分析

不同堵塞比條件下凹槽葉頂間隙內的三維流線圖如圖8所示。相比無堵塞工況，B=0.2時的冷卻流附壁性良好；隨堵塞比增加，冷卻流對主流的穿透能力增強，并在泄漏流的作用下越過吸力側肩壁進入葉片通道中。堵塞比越大，冷卻流的穿透作用越明顯。同時，當B=0.8時，由于前緣和中部冷卻流直接進入葉片通道，穿越流得以在凹槽中部完全展開，使得凹槽中部氣膜冷卻效率顯著下降。此外，尾緣處冷卻流也受到氣膜孔堵塞的影響對主流的穿透能力增強，但上游穿越流在凹槽中部展開后匯聚于尾緣處，對冷卻流產生卷吸作用，改善了凹槽葉頂尾緣處的氣膜冷卻性能。

不同堵塞比時的流向截面上的速度云圖和流線圖如圖9所示，各流向截面分別位于H1、H3、H5、H7、H9、H11、H12和H13氣膜孔的下游，并依次命名為截面1～8。B=0時，在截面1、2處形成了尺寸較大的凹槽腔室渦，但在靠近尾緣的截面6、7、8處無明顯漩渦產生。隨著堵塞比增大，尾緣處流場結構逐漸復雜，在穿越流和冷卻流的共同作用下，靠近壓力側形成了尺寸較大的漩渦，且漩渦尺寸隨著堵塞比的增加而增大。對于B=0.6，0.8工況，在截面5上處尾緣冷卻流與穿越流發生卷吸摻混，從而改善了尾緣區域的氣膜冷卻性能。

2.1.3 凹槽葉頂傳熱性能分析

不同堵塞比時的凹槽葉頂傳熱系數云圖如圖10所示。隨堵塞比增大，凹槽前緣吸力側的高傳熱系數區域顯著擴大，但凹槽中部和尾緣區域的低傳熱系數區域縮小，葉頂整體熱負荷增大，傳熱性能惡化。

不同堵塞比時的凹槽葉頂節距平均傳熱系數分布如圖11所示，可知氣膜孔堵塞主要影響凹槽中部的傳熱性能。堵塞比越大，凹槽中部傳熱系數上升越嚴重。B=0.8時，凹槽中部的傳熱系數相比于無堵塞時大幅升高，葉頂整體傳熱性能最差。

不同堵塞比條件下凹槽底部的面積平均傳熱系數如表5所示，可知凹槽底部的平均傳熱系數隨著堵塞比增大而增大。在B=0.8工況下，凹槽底部的熱負荷最高，相比于B=0工況的凹槽底部面積平均傳熱系數升高了13.01%。

2.1.4 總壓損失分析

氣膜孔堵塞對葉片氣動性能的影響可以通過軸向截面處的總壓損失Pl進行分析，取葉片尾緣下游軸向10 mm處的截面作為目標截面。不同堵塞比工況下目標截面處的總壓損失如表6所示，可知尺寸較小堵塞對葉柵氣動性能影響很小，但堵塞比為0.6、0.8時，總壓損失相對未堵塞時分別升高了8.31%、56.20%，葉柵氣動性能嚴重下降。

2.2 吹風比對堵塞工況下葉頂冷卻傳熱性能的影響

Zhang等［19］的研究表明，吹風比是影響堵塞工況時葉片氣膜冷卻性能的重要因素。因此本節研究堵塞比B分別為0、0.2、0.4、0.6、0.8時，兩種吹風比M=0.5，1.5條件下凹槽葉頂的氣膜冷卻性能。

2.2.1 吹風比M=0.5時凹槽葉頂氣膜冷卻效率分布

吹風比M=0.5時、不同堵塞比條件下凹槽葉頂的氣膜冷卻效率分布云圖如圖12所示。相比于無堵塞工況，在低堵塞比B=0.2，0.4時，凹槽頂部的整體氣膜冷卻性能無明顯變化，高氣膜冷卻效率區域A仍保持著較大面積。但堵塞比增至0.6時，區域A的氣膜冷卻效率明顯下降、面積縮小；堵塞比增至0.8時，中部高氣膜冷卻效率區域消失，僅在葉頂尾緣處存在較高的氣膜冷卻效率區域C，凹槽葉頂整體氣膜冷卻性能顯著降低。

吹風比M=0.5時、不同堵塞比條件下的凹槽底部節距平均氣膜冷卻效率分布如圖13所示。相比于無堵塞工況，B=0.2時葉頂尾緣處節距平均氣膜冷卻效率有所上升，表明在低吹風比時氣膜孔的小范圍堵塞反而有利于凹槽葉頂氣膜冷卻性能的改善。隨著堵塞比繼續增加，凹槽中部氣膜冷卻效率明顯降低，導致葉頂整體氣膜冷卻性能降低。

吹風比M=0.5時、不同堵塞比條件下凹槽底部的面積平均氣膜冷卻效率如表7所示。B=0.2時，凹槽底部氣膜冷卻效率相對于無堵塞工況有所升高，這是由于該工況下尾緣處的氣膜冷卻效率提升所致。總體而言，氣膜孔小范圍的堵塞對凹槽底部整體氣膜冷卻性能影響不大，B=0.4時整體氣膜冷卻性能僅下降了6.82%。但在堵塞比為0.6、0.8條件下，槽底氣膜冷卻性能嚴重下降，分別下降了42.21%、82.09%。與M=1工況相比，減小吹風比能減輕小堵塞比條件下凹槽底部的氣膜冷卻性能下降幅度；但在大堵塞比條件下，減小吹風比會導致更嚴重的凹槽葉頂氣膜冷卻性能惡化。

2.2.2 吹風比M=0.5時凹槽葉頂流場結構分析

吹風比M=0.5時不同堵塞比條件下葉頂區域的三維流線圖如圖14所示。由圖14可以看出：在小堵塞比條件下冷卻流在凹槽中部和尾緣的覆蓋情況良好，整體氣膜冷卻性能良好；B=0.8時，中部冷卻流出流速度增加，對主流的穿透能力增強，冷卻流在泄漏流的作用下越過吸力側肩壁流入葉柵通道，穿越流顯著擴展到凹槽底部壓力面側，導致中部氣膜冷卻效率顯著下降。凹槽底部靠近尾緣處的冷卻流和上游處的穿越流相互卷吸摻混，導致尾緣處氣膜冷卻性能有所提高，但整體氣膜冷卻性能下降。

吹風比M=0.5時不同堵塞比條件下流向截面上的速度云圖和流線圖如圖15所示。由圖15可以看出：B=0.2時，流向截面7的凹槽底部形成了漩渦區域D，冷卻流與穿越流相互摻混提高了尾緣處的氣膜冷卻性能；堵塞比增大至0.8時，在截面6、7靠近凹槽壓力側處形成了尺寸較大的漩渦，改善了尾緣處的氣膜冷卻性能。

2.2.3 吹風比M=0.5時凹槽葉頂傳熱性能分析

吹風比M=0.5時不同堵塞比條件下的葉頂傳熱系數云圖如圖16所示。隨堵塞比增大，前緣高傳熱系數區域面積略增，中部低傳熱系數區域面積減小，整體熱負荷隨著堵塞比增大而增大，傳熱性能惡化。

吹風比M=0.5時不同堵塞比條件下凹槽葉頂的節距平均傳熱系數分布曲線如圖17所示。整體而言，隨著堵塞比增大，葉頂中部的節距平均傳熱系數增大，整體傳熱性能惡化。

吹風比M=0.5時不同堵塞比條件下的凹槽底部面積平均傳熱系數如表8所示。B=0.2時，凹槽葉頂平均傳熱系數相對于未堵塞工況有所下降，說明低吹風比條件下氣膜孔小范圍堵塞能降低葉頂熱負荷。隨著堵塞比增大，葉頂熱負荷逐漸升高，在B=0.8 時葉頂平均傳熱系數相比于無堵塞工況升高了15.57%。相比于吹風比M=1工況，降低吹風比會導致大堵塞比條件下的葉頂熱負荷進一步升高。

2.2.4 吹風比M=1.5時凹槽葉頂氣膜冷卻效率分布

吹風比M=1.5時不同堵塞比條件下的葉頂氣膜冷卻效率分布云圖如圖18所示。相比于B=0工況，B=0.2工況下高氣膜冷卻效率區域A面積無明顯變化，尾緣處氣膜冷卻效率略有升高，整體氣膜冷卻效率變化不大；B=0.4時，高氣膜冷卻效率區域A的面積有所減小，整體氣膜冷卻效率下降；B=0.6，0.8工況下，高氣膜冷卻效率區域面積顯著縮小，僅在尾緣處有小范圍的高氣膜冷卻效率區域C，整體氣膜冷卻性能大幅降低。

吹風比M=1.5時不同堵塞比下的葉頂節距平均氣膜冷卻效率分布如圖19所示，可知整體氣膜冷卻效率由前緣到尾緣逐漸升高。隨堵塞比增大，中部氣膜冷卻效率顯著下降，但尾緣處氣膜冷卻效率有所上升，這是因為隨著堵塞比增大，前緣和中部的冷氣加速作用越明顯，穿越流向凹槽中部的擴展越嚴重，在尾緣處與冷卻流摻混，提升了尾緣處的氣膜冷卻性能。

吹風比M=1.5時不同堵塞比條件下的凹槽底部面積平均氣膜冷卻效率如表9所示。小堵塞比時，凹槽底部平均氣膜冷卻效率有所升高，隨堵塞比增大，葉頂整體氣膜冷卻性能逐漸下降。相比于吹風比M=1時，增大吹風比導致B=0.4時葉頂氣膜冷卻性能下降更嚴重；同時，增大吹風比能改善大堵塞比條件下的凹槽底部整體氣膜冷卻性能，在B=0.8時整體氣膜冷卻效率僅下降了51.34%。

2.2.5 吹風比M=1.5時凹槽葉頂流場結構分析

吹風比M=1.5時不同堵塞比條件下的凹槽葉頂三維流線圖如圖20所示。隨著堵塞比增大，中部冷卻流出流速度越大，冷卻流與凹槽底部接觸面積減少，穿越流向凹槽底部壓力側的擴展越嚴重，導致凹槽中部氣膜冷卻性能嚴重下降。在凹槽尾緣處，穿越流與冷卻流發生摻混形成漩渦，導致尾緣冷氣覆蓋凹槽底部，改善了尾緣處的氣膜冷卻性能。

吹風比M=1.5時不同堵塞比條件下流向截面上的速度云圖和流線圖如圖21所示。由圖21可以看出：吹風比M=1.5時靠近尾緣區域的截面6、7、8處存在明顯漩渦，表明在大吹風比下尾緣區域的流動結構復雜，冷卻流與穿越流間存在強烈的卷吸摻混效應；隨堵塞比增大，尾緣處各截面上的漩渦尺寸增大，冷卻流與穿越流間摻混更加劇烈，尾緣處氣膜冷卻性能增強。

2.2.6 吹風比M=1.5時凹槽葉頂傳熱性能分析

吹風比M=1.5時不同堵塞比條件下的葉頂傳熱系數分布如圖22所示。隨堵塞比增大，前緣高傳熱系數區域面積略微增大，中部和尾緣處的低傳熱系數區域面積減小，葉頂熱負荷增大，整體傳熱性能惡化。

吹風比M=1.5時不同堵塞比條件下的葉頂節距平均傳熱系數分布如圖23所示，可知堵塞比增大導致葉頂前緣、中部和尾緣處的傳熱系數均增大，凹槽葉頂整體傳熱性能下降。

吹風比M=1.5時不同堵塞比條件下的凹槽底部面積平均傳熱系數如表10所示。隨堵塞比增大，凹槽底部平均傳熱系數上升，熱負荷增加。相比于吹風比M=1工況，增大吹風比會導致小堵塞比工況下的葉頂傳熱性能更差，但降低了大堵塞比工況下的凹槽葉頂熱負荷，增大吹風比可抑制嚴重堵塞所導致的葉頂傳熱性能惡化。

2.3 3種吹風比下的葉頂冷卻傳熱性能對比

3種吹風比下的葉頂面積平均氣膜冷卻效率和傳熱系數對比圖如圖24所示，可知堵塞比增大導致葉頂冷卻效率降低，傳熱系數升高。減小吹風比能抑制小堵塞比工況下凹槽葉頂的冷卻傳熱性能下降，但會加劇大堵塞比下的冷卻傳熱性能下降；增大吹風比能抑制大堵塞比下的冷卻傳熱性能下降，但也會加劇小堵塞比工況下葉頂區域的冷卻傳熱性能下降。

3 結 論

本文采用數值方法研究了3種吹風比0.5、1.0、1.5條件下不同程度的氣膜孔堵塞對凹槽葉頂氣膜冷卻傳熱性能的影響，可得如下主要結論。

（1）氣膜孔堵塞會導致凹槽葉頂氣膜冷卻性能降低，熱負荷升高，氣動性能惡化。堵塞對葉頂冷卻傳熱性能的影響隨著堵塞比增大而越劇烈，在大堵塞比條件下凹槽中部的氣膜冷卻效率急劇下降，熱負荷升高，M=1.0、B=0.8時凹槽葉頂平均氣膜冷卻效率相比于無堵塞時下降了64.88%，平均傳熱系數上升了13.01%，葉柵通道總壓損失升高了56.20%。氣膜孔堵塞改變了凹槽葉頂間隙內的流場結構，對氣膜孔中射出的冷氣有加速作用，導致冷氣被泄漏流推離凹槽葉頂區域，不能有效覆蓋在葉頂表面。

（2）吹風比是影響堵塞工況下凹槽葉頂冷卻傳熱性能的重要因素。減小吹風比能抑制小堵塞比工況下凹槽葉頂的冷卻傳熱性能下降，M=0.5、B=0.4時凹槽葉頂平均氣膜冷卻效率相比于無堵塞時僅下降了6.82%。但減小吹風比也會導致大堵塞比工況下葉頂冷卻傳熱性能惡化更為嚴重，M=0.5、B=0.8時凹槽葉頂平均氣膜冷卻效率相比于無堵塞時下降高達82.09%，所以在氣膜孔有局部小堵塞情況下降低吹風比可改善葉頂的冷卻傳熱性能。

（3）增大吹風比可抑制嚴重堵塞所導致的凹槽葉頂冷卻傳熱性能惡化程度，M=1.5、B=0.8時凹槽葉頂平均氣膜冷卻效率相比于未堵塞時僅下降51.34%，平均傳熱系數上升了11.52%。但增大吹風比也會導致小堵塞比工況下凹槽葉頂冷卻傳熱性能下降更嚴重，M=1.5、B=0.4時凹槽葉頂平均氣膜冷卻效率相比于無堵塞時下降37.31%。改變吹風比會顯著影響葉頂流場結構，從而影響堵塞工況下凹槽葉頂的冷卻傳熱性能。這主要體現在吹風比影響尾緣處穿越流與冷卻流卷吸摻混的強度上，增大吹風比可以增強兩者的摻混強度從而改善尾緣處的氣膜冷卻性能。

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（編輯 趙煒）