透平叶顶气膜冷却效果数值研究

说明冷气流起到了阻碍通道流进入叶尖间隙的作用.从图7可以看出，吹风比M越大，间隙流通过气膜孔上方时的高度H越小，高度H表征了冷气对间隙流的阻碍作用.此外，从冷气流线可以看出，对于压力面侧和气膜孔之间的区域，冷气只对出气孔边缘的极小区域有所覆盖，吹风比M越大时，覆盖现象有所增强，但也极其微弱.

图6 不同吹风比下46%Cx处叶尖间隙流线和速度云图

Fig.6 Velocity magnitudes and streamlines in the tip gap

at 46% Cx for three different blowing ratios

图7 局部放大图

Fig.7 Partial enlarged drawing

2.4 叶顶换热系数及冷却效率

图8给出了不同吹风比M下，叶顶换热系数和冷却效率分布图，从图中能清楚地观察到冷气流动路径.冷气覆盖区域换热系数明显低于其它区域，冷气的冷却作用沿冷气流向逐渐减弱.靠近前缘的3个气膜孔，由于几何位置和流场因素，其气冷作用距离相对较长，在到达吸力面侧时，冷却效果已经很弱或消失；而其它气膜孔出流的冷气，冷气作用距离相对短，在冷气还能发挥作用时冷气已穿过叶顶，说明这些气膜孔出流的冷气没有充分发挥作用，是一种“浪费”.

图8 叶顶换热系数及冷却效率分布图

Fig.8 Heat transfer coefficient and film cooling effectiveness

on tip for three different blowing ratios

从叶顶冷却效率分布来看，除气膜覆盖区外，叶顶其它区域的冷却效率为0.冷气出流处冷效最高，沿冷气流向冷却效率逐渐降低直至消失，而且冷气有效作用的路径宽度也逐渐减小.在吹风比M=0.5时，由于冷气出流动量较小，冷气较易被间隙流压在叶顶表面，因此每个气膜孔下游都出现了较高的冷却效率；而吹风比增大至1.5时，气膜孔下游的高冷却效率区已基本消失.

图9给出了不同吹风比M下，叶顶面积平均换热系数和冷却效率.与无气膜冷却（M=0）情况相比，叶顶带气膜冷却时，叶顶整体换热水平大幅降低，说明叶顶开气膜孔对叶顶起到一定的热防护作用.在吹风比M=1.0时，叶顶平均换热系数最低，叶顶平均冷却效率最大，这时冷气的冷却效果最佳.这是因为吹风比M=0.5时，冷气有效作用路径宽度相对于M=1.0时较小；而吹风比M=1.5时，冷气出流动量太大，贴附壁面能力较弱.因此，需要综合考虑气冷贴附壁面能力和冷气有效作用路径宽度，合理选择吹风比范围.

图9 叶顶面积平均换热系数及冷却效率随吹风比变化

Fig.9 Areaaveraged heat transfer coefficient and

film cooling effectiveness on tip for

three different blowing ratios

3 结 论

本文采用数值方法研究了叶顶带气膜冷却时，吹风比M变化对叶顶换热系数和冷却效率的影响.主要得到以下结论：

（1） 叶顶有气膜冷却时，能大幅降低叶顶的整体换热水平.存在最佳吹风比M=1.0，此时叶顶冷却效率最佳，整体换热水平最低.

（2） 采用叶顶气膜孔沿中弧线分布，将不能充分发挥冷气的冷却效果，气膜冷却孔位置分布有待于进一步的研究.

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