浅谈涡轮转子叶片冷却技术

王旭伟

摘 要 ：隨着生产力的发展，燃气轮机被广泛应用于航空、地面动力以及工业生产的各个领域。为了提高发动机输出功和热循环效率，涡轮前燃气温度仍在逐年提升，目前已远高于耐高温材料的极限承受温度，先进的冷却技术成为保障涡轮安全可靠工作的关键措施。燃气轮机高温部件有很多不同的冷却方式，总的来说，可以分为内部冷却和外部冷却。本文对涡轮叶片冷却方法以及影响其冷却效果的因素进行阐述，对涡轮叶片冷却技术进行了总结。

关键词：燃气轮机;涡轮;冷却方式;冷却效果

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.01.011

1 冷却方式概述

用于冷却叶片的气体来自于压气机会导致发动机热效率和输出功损失，因此，对于给定的涡轮叶片和工作状态，我们需要理解冷却方式并使其优化。毫无疑问，燃气涡轮冷却技术仍有复杂、多因素的难点。目前大部分冷却方案包括前缘冷却、压力面和吸力面冷却和尾部冷却三个主要冷却区域。前缘冷却由冲击和气膜冷却组成;中间区域由含加强肋条曲折内部通道的对流冷却以及气膜冷却;而尾部区域一般通过针状肋条和狭缝射流冷却组成。另外转动对涡轮转子叶片内部通道热传递有很显著的影响，而不稳定高湍流因素对气膜冷却的影响也很大，这些在后文中有所提及。

总的来说，涡轮叶片的冷却方式可以分为内部冷却和外部冷却。内部冷却是指在高温部件内部通入冷却工质，强化内部换热，从而吸收高温部件热量降低温度。内部冷却主要包括肋片扰流冷却、射流冲击冷却、柱肋冷却以及复合式冷却。外部冷却即为气膜冷却，由内部通道喷射温度较低的冷却工质，从而在高温部件表面和主流之间形成一层保护膜，隔离高温燃气达到冷却目的。

肋片扰流冷却通常是在涡轮叶片中部采用的冷却方式，即将扰流肋片安装在叶片内部冷却通道两侧表面，增大冷却工质与叶片之间对流换热系数，可以不改变冷却工质温度的情况下带走更多的热量。这种冷却方式影响因素主要是通道及肋片的几何特性（如横截面形状、肋片大小、安装角分布等）和来流马赫数。

射流冲击冷却是将一股高动量冷却工质通过小孔或狭缝喷射到高温部件表面，强化局部换热，主要应用于叶片前缘、吸力面和压力面局部冷却，但冲击冷却需要在叶片内部钻孔会削弱其结构强度。影响冲击冷却的因素有很多，如射流孔的大小和分布、与目标面之间的距离、冷却通道横截面形状等，另外转动对冲击冷却也有很大的影响。

柱肋冷却大多用在狭窄的后缘区域。由于加工工艺限制与叶片性能要求，肋片和冲击冷却难以在这一区域应用。而柱肋冷却通过分布垂直于流动方向的扰流柱，增强对冷却工质的扰动，从而增大对流换热系数。根据柱肋冷却中工质流动方向不同，可以分为有狭缝冷却和无狭缝冷却。狭缝对叶片尾迹、整体动力性能和冷却效果都有一定影响，也是设计冷却系统所需要考虑的环节。

气膜冷却的原理最早是Goldstein在1971年提出的，随着涡轮进口温度提高，气膜冷却得到迅速地推广，制备工艺上也逐渐完善成形。在典型燃气轮机工作条件下，气膜冷却效果主要取决于两个方面，一是气动参数，如冷却工质与主流的吹风比、密度比、动量比、主流马赫数等，另一个为几何形参，如气膜孔的形状和位置等。

2 影响因素

2.1 转动因素对内部冷却影响

转动会产生科式力和离心力，进而在内部冷却通道中出现二次流动，因此，转子冷却通道中热传递系数与静子的完全不同。从最近研究中可以看出，转动引起的二次流动可以显著增加一侧换热系数同时减小另一侧，这取决于冷却气体在通道中的流动方向。如果不考虑转动因素对冷却的影响，可能会导致一侧温度很低而另一侧温度过高。另外，转动效应在叶片的不同位置所影响的效果也存在差异，例如最近有研究关于转动对前缘冲击冷却和尾部针状狭缝冷却影响情况，结果显示转动对冲击冷却有消极作用，原因是转动使冲击射流偏离应被冲击冷却的表面。

2.2 不稳定扰动对气膜冷却的影响

气膜冷却是由内部通道喷射温度相对低的气体至叶片外表面，从而在叶片和高温的主流间形成一层保护膜。在典型发动机工作条件下（雷诺数、马赫数、燃烧室引起的高湍流度及不稳定低能流），气膜冷却效果主要取决于冷却气体与主流压力比（吹风比）、温度比（密度比）、气膜孔形状（孔的大小、形状、角度及排数）和位置（前缘、尾部、压力面、吸力面、叶根及叶尖）。为了设计高效的冷却系统，我们有必要理解好涡轮中高温燃气真实流动状态，而涡轮叶片热传递及气膜冷却也被研究很多年了。最近研究方向包括了由燃烧室引起的高湍流度燃气对涡轮静子热传递影响以及上游不稳定扰动对转子叶片热传递影响;这些研究中有个重要结论：不稳定的高湍流度对换热系数分布影响不大，但严重减小气膜冷却效率。这个结论表明在恶劣的工作环境中，涡轮叶片可能没有被冷却气膜保护。为了更好地研究气膜冷却性能，我们要考虑气膜孔大小、长度、位置、形状及方向对换热系数分布的影响，而特定形状的气膜孔性能比典型圆柱形的要好。

2.3 气膜孔形状对涡轮叶片气膜冷却的影响

为了提高冷却的效果，一种解决途径是改进冷却气膜孔的几何形状，冷却气膜孔在出口处呈扩展型能提高燃气涡轮叶片气膜冷却的性能。在一定吹风比下，出口扩张型气膜孔比圆柱形的射流出口速度低，因而动量交换和穿入主流的射流会减少，从而增加气膜冷却效率，另外气膜孔侧向面积扩大使得冷却气膜更好地覆盖在叶片表面。国外部分文献也证实扩张型气膜孔性能比标准圆柱形的性能好。另外，在相同扰动下，两种扇形出口气膜孔对流换热系数比圆柱型的要低很多，但在转捩点之后扇形换热系数要比圆柱型高。换句话说，扇形气膜孔气膜冷却效率比改型扇形孔要高，而改型扇形孔又比圆柱孔效率高的多。两种扇形气膜孔使得沿翼展平均传热量减小，就是说更好地保护叶片表面，尤其是在有扰动的条件下。

3 总结

本文从工作方式、工作机理、影响因素三个方面对涡轮叶片先进冷却技术进行了概述，对各异的冷却结构进行了分类，并分析了影响其冷却效果的各种因素，为燃气轮机以及航空发动机涡轮叶片结构设计者在确定冷却结构时提供了参考。

参考文献：

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[2]Je-Chin Han，Srinath Ekkad.Recent development in turbine blade film cooling[J].International Journal Rotating Machinary，2001.

[3]Kam S Chana.An investigation of the effects of film cooling in a high-pressure aeroengine turbine stage 2005.