燃气轮机透平叶片传热和冷却研究:气膜冷却

刘 钊，杨 星，丰镇平

(西安交通大学能源与动力工程学院叶轮机械研究所，西安 710049)

有关燃气轮机叶片的常用冷却方式以及叶片内部冷却技术，作者已在叶片内部冷却的综述中［1］进行过介绍，本文针对燃气透平叶片及通流部分外部冷却，基于已有学者对气膜冷却研究的专门综述［2－6］，重点介绍气膜冷却孔型的研究发展;限于篇幅，本文对叶顶传热冷却和尾缘劈缝冷却的内容就不作详细介绍，叶栅端壁的气膜冷却将在作者端壁冷却的论文中予以全面介绍。

1 气膜冷却简介

气膜冷却是燃气轮机透平叶片及其通流部分外部冷却的主要形式。气膜冷却是指冷却工质从叶型表面的离散气膜孔或是槽缝以射流的方式喷出进入高温主流，在主流压力和摩擦力等的作用下，经与主流掺混后形成的低温冷却流贴近壁面向下游流动形成冷却气膜，从而起到对高温部件表面进行隔热和冷却保护作用的一种冷却方案，如图1 所示。

1.1 气膜冷却的影响因素

出于燃气轮机整体性能的考虑，总是希望用最少的冷气量来获得最高的冷却效率，因此，影响气膜冷却性能的诸多因素自然就成为设计与研究人员关注的内容。气膜冷却的影响因素主要分为气动和几何结构两个方面。Han 等［2］、戴萍等［3］以及李佳等［4］对此作了详细论述，在此不再赘述。表1 总结了自1974年Blair［7］首先开展气膜冷却研究以来公开文献中所研究过的对气膜冷却性能有影响的参数，其中带“※”号标记的因素为重要影响因素。

图1 气膜冷却示意图［6］

表1 影响气膜冷却性能的因素

优良的气膜孔型和气膜孔组合方式可以获得很好的冷却性能，从而能够减少冷气使用量，因此近年来气膜冷却研究的热点主要集中在气膜孔的孔型及其组合方式上。本文着重对这方面研究工作进行详细总结。

1.2 冷却气膜的出流结构

要理解各种新型气膜孔和组合气膜孔的作用机理，需要对气膜孔冷却出流的流动结构有一个充分的认识。图2 示出了横向流中的冷却射流所形成的复杂流动结构。如图所示，气膜冷却出流进入主流后，与主流之间发生卷吸和掺混，因此主流和冷却出流之间的相干性异常复杂。研究表明，主流和冷却出流相互作用诱发出的多种涡结构取决于速度比、吹风比和动量比等冷却射流和主流的流动参数。一般即使在较小的吹风比下，由于冷却出流的内在运动特征，流动也呈湍流状态。在这种湍流流动中，存在4 种不同尺度的涡结构:(1)反向旋转的卵形涡对，也称之为肾形涡或纵向耦合涡，它是尺度最大的涡结构，其主要涡量源于气膜孔两侧边缘卷起的旋涡。这些漩涡在冷却出流和主流之间相互剪切的作用下向下游逐渐发展成较大的卵形涡对;(2)马蹄涡，为尺度最小的涡结构，对气膜冷却几乎不产生影响，马蹄涡的形成类似于流体绕流钝头物体，源于冷却出流边界层中存在的压差;(3)迎风涡和背风涡，由于在横向流中的冷却射流流动中还存在某种程度上的自由射流特征，因此在冷却出流结构中还可以观察到自由射流的分离涡环，它在围绕着冷却射流旋进的过程中会被打散，从而形成迎风涡和背风涡;(4)尾迹涡，与卡门涡街现象相似，绕过射流的横向主流还会在下游形成尾迹涡区，是一种边界层的流动分离现象。

图2 横向流中单个普通气膜孔射流所形成的复杂流动结构［8］

在气膜冷却出流复杂的流动涡系结构中，肾形涡对气膜冷却的性能会产生严重的不利影响。肾形涡因其独特的旋转方向，使得冷气在横向的扩散能力受到限制，同时肾形涡还会将主流高温燃气卷吸到壁面，这都不利于冷却。基于这一点，冷却设计研究人员提出了多种新孔型结构，不同孔型之间的组合方式，并发展了孔－涡发生器的组合冷却方式，希望能够通过这些手段弱化肾形涡，让冷气的横向扩散能力和附壁性得到增强。

2 新型气膜孔结构的研究进展

2.1 新孔型

气膜孔的改型研究一直是透平气膜冷却问题研究的热点。Bunker［9］针对改型气膜孔作过非常详细的综述。图3 给出了迄今为止公开文献中出现过的各种新型气膜孔。Goldstein 等［10］最先开展了通过改变气膜孔形状来改善气膜冷却性能的研究。

图3 新型气膜孔

Hyams 和Leylek［11］应用数值方法得到了前向扩张出口、横向扩张出口、进口改型和尖头出口形等4 种气膜孔与圆柱形气膜孔在气膜冷却性能方面的对比结果，指出，横向扩张孔的气膜冷却性能最好;前向扩张气膜孔沿孔中心线的冷却性能较好;通过改变气膜孔几何形状可以控制气膜边界层中与横向流缠绕的涡结构，该涡也是肾形涡形成的主因。Thole 等［12］和Hevean 等［13］发现出口横向和前向均扩张的气膜孔的冷却有效度会比单一的横向扩张气膜孔的低。对于圆锥形气膜孔，研究结果非常有限，只有Jackson 等［14］基于降低气动损失的目的对其进行过研究。Dittmar等［15］对双排狭缝气膜孔的研究表明，与扇形和圆形气膜孔相比，即使是在高吹风比下，狭缝孔出口附近区域的冷却射流分离现象也不明显。Sargison 等［16－19］采用新型缩放槽缝孔，对普通气膜孔的结构进行了优化，得到了较好的气膜冷却效果和孔口气动性能。Lu［20］也通过实验研究了缩放槽缝孔下游的传热特性，发现缩放槽缝孔在相邻孔间的气膜覆盖性较好，在孔口下游的冷却有效度较高。在国内，刘存良等［21］对缩放槽缝孔进行研究后发现，缩放槽缝孔减小了冷却射流的流向距离，但是增大了展向扩散宽度范围，扩大了射流的覆盖区域，同时也对肾形涡有一定的抑制作用。Azzi 等［22］将缩放槽缝孔和其它改型孔在喷孔射流下游处的冷却效果进行了对比研究，发现在任何吹风比下，缩放槽缝孔的冷却效果均高于其它改型孔。戴萍和林枫等［23－26］通过数值方法对缩放槽缝孔的冷却效率作了比较全面的研究，分别考察了长径比、入射角以及孔间距对缩放槽缝孔气膜冷却效果的影响。

Lu［20］发现月牙形气膜孔能降低孔出口的射流动量，对壁面的覆盖更好。目前国内有关月牙形孔的研究工作还非常少，国外也主要集中在孔下游的传热特性上，而将月牙孔沿展向的冷却效果及孔下游流场的流动特性与其它孔型进行系统的比较与分析的文献还未见诸报道。戴萍等［27－28］通过数值方法对比了新型月牙孔、前向扩张孔和圆柱形孔在射流下游及展向上的气膜冷却有效度与流场分布，指出月牙孔在不同吹风比下的冷却有效度均高于圆柱形孔和前向扩张孔，整体冷却效果最好。月牙孔和前向扩张孔分别在不同程度上对肾形涡起到了抑制作用，提高了冷却射流的附壁性，增强了对壁面的冷却效果。

2002年，Fric 和Campbell［29］发明了一 种带有衬底的气膜孔，即所谓的孔－ 坑结构。它的结构特点是使普通圆柱形气膜孔出口截面位于浅直的杯口状坑中。在这种几何结构中，冷却剂在出流过程中，先是直接冲击在坑的边缘，使冷却流方向发生偏转，将坑内充满，这就使得冷却流与高温主流的接触面积更大，冷却性能更好，尤其是在高吹风比下。这种气膜孔也可以应用在燃烧室衬套的全气膜冷却方案中。随后，Bunker［30］对他们的工作进行了扩展，将一维坑改成了二维的横向凹槽。除了与孔坑气膜孔一样在提高冷却性能方面具有优点外，这种气膜孔可以很方便地直接利用壁面的热障涂层而无需经过金属加工就可以形成。

2007年，Okita 等［31］提出了一种出口为箭头形的新型气膜孔，研究发现新型孔可以抑制射流分离、降低射流对主流的穿透作用并可形成与肾形涡旋转方向相反的反肾形涡系结构。Lee 和Kim 等［32］为了增加冷却剂的横向扩散能力，提出了一种尖嘴形气膜孔，通过数值研究并与扇形孔对比结果表明:低吹风比时，新型气膜孔与扇形孔的冷却性能差不多，但随着吹风比的增加，新型孔冷却剂的横向扩散能力要比扇形孔强，气膜冷却有效度也更高。Vighneswara 等［33］提出了带流向直沟、凹沟和凸沟的3 种新型气膜孔。不同吹风比下的研究表明:凸沟提高了中心线平面冷却有效度，直沟在所研究的吹风比下提高了横向平均和总体的冷却有效度，凹沟在吹风比为0.5 和1.0时提高了冷却有效度。

上述为降低冷却流穿透能力、增强横向扩散能力而设计的新型气膜孔结构，虽然比圆柱形气膜孔的冷却性能要好很多，但或多或少还是存在着一些不足，比如有些气膜孔在实际应用中存在着具体的加工和布置问题等。但这些新概念的提出，为气膜冷却方法的改进提供了很多启示性的思路，对于解决高温燃气透平冷却的关键技术问题具有积极的促进作用。

2.2 组合气膜孔

针对单气膜孔的研究自气膜冷却技术出现就开始了，至今已被众多学者从多个方面进行了系统的研究。但单气膜孔出流中形成的有害肾形涡始终是一个难题。为此，学者们不再将目光和思路仅仅局限在单一的气膜孔上，而是通过对单一孔进行多种形式的组合来达到削弱或消除有害涡结构的目的。图4 为公开文献中出现过的各种形式的组合气膜孔的结构示意图。

图4 组合气膜孔

双射流气膜孔可以阻止冷却射流脱离壁面，并且可以通过形成反肾形涡来压制或消除肾形涡，从而增加冷却射流的横向扩散能力。为此，Kusterer 等［34］首先提出了一种将2 个圆柱形气膜孔按布置方位的特定组合而形成的双射流气膜孔。由于反肾形涡的形成，在相对较高的吹风比(M=1.7)下，在冷却射流后的较大表面区域内其气膜冷却有效度得到了提高。随后国内外的学者们通过实验验证了数值计算的结果，并继续研究了吹风比和复合角对双射流气膜孔的影响［35－40］。针对改型气膜孔在实际中难于加工的缺点，美国NASA 格伦研究中心的Heidmann 等［41］构想并设计出了一种新颖的组合气膜冷却孔，该结构可以通过涡之间的相互作用来抵消冷却出流结构中的有害肾形涡，故称其为“抗涡”气膜孔，同时由于其形状与三脚架相似，故又称三脚架气膜孔;接下来继续详细研究了三支气膜孔几何结构和相对位置的影响［42］;受带横向凹槽气膜孔的启发，还研究了带横向凹槽的抗涡气膜孔在叶型表面的应用［43－44］。

由于双射流气膜孔对2 个孔之间的相对位置和各自的冷却流量的要求较严，Kusterer 等［45－47］在其所提出的双射流气膜孔的基础上，经发展形成了一种新的气膜孔。它的特点是将双射流气膜孔的两支孔经适当融合形成一个单一的气膜孔，孔的出口段形状与猫耳相似，故称之为“猫耳”形气膜孔。研究结果表明，与传统的圆柱形和带凹槽的气膜孔相比，猫耳气膜孔的横向平均冷却效率更高，它的高冷却有效度区可以到达孔下游较远处。鉴于初始的猫耳形气膜孔在加工方面的困难，Kusterer 等［48］对猫耳形孔的几何形状进行了优化，优化后的猫耳形气膜孔的冷却性能有所提高。

Liu［49］为了提高气膜冷却有效度，在总结前人改型气膜孔的基础上提出了哑铃形气膜孔及其优化改型后的豆形气膜孔，与扇形气膜孔相比，2种新型的气膜孔横向平均有效度总体上提高了近33%;对于2 种新型气膜孔，最佳进出口面积比均为2.5。

为了控制冷却射流后的尾迹区和削弱主流与冷却流的掺混强度，Javadi 等［50］提出了一种组合气膜孔。其几何结构为包括一个主气膜孔和其稍下游两侧成对的小气膜孔(姊妹气膜孔)。在平板上的研究结果表明，这种组合气膜孔不但让冷却气膜在平板上的覆盖更为均匀，而且还提高了气膜冷却有效度，特别是在孔的附近区域。在此基础上，Ely 和Jubran［51］又提出一种改进后的姊妹气膜孔冷却方案。该方案由3 个射流角为30°的圆柱形气膜孔组成，中间为主气膜孔，两侧邻接姊妹气膜孔。在吹风比从0.2 到1.5 变化条件下的数值计算结果表明:与单一的圆柱形气膜孔相比，姊妹气膜孔的冷却性能和气动优势非常明显，在高吹风比条件下，表现更为突出。总的来说，这种姊妹孔冷却技术属于三射流冷却技术，它将为未来的先进冷却技术提供一种比较有希望的新思路和新方法。Li 和Zhang［52］提出了一种新颖的主干分支气膜孔。它由相同直径的主气膜孔和分支气膜孔组成，分支气膜孔以一定的复合角布置，位于主气膜孔上游。研究结果表明主气膜孔的肾形涡被削弱了，横向气膜冷却覆盖得到了提高;其后续研究还表明，分支气膜孔的方位角对气膜冷却性能的影响较大［53］。

组合气膜孔突破了单一气膜孔冷却思路的限制，从多孔协同作用的角度出发，将单孔以一定的方式组合成多孔的“冷却单元”。因此，组合气膜孔的出现给了研究者们另一种新的启示，那就是以“冷却单元”代替传统的单一孔冷却的概念。这种以单一气膜孔组合而成的“冷却单元”无论是在气动性能还是冷却性能方面都比大部分单气膜孔结构来得好。

2.3 气膜孔与涡发生器的组合

除了研究各种形状的气膜孔和组合气膜孔外，由于圆柱形气膜孔在加工方面占据绝对优势，部分学者仍然试图在圆柱形气膜孔的基础上进行改进，提出了在孔附近布置涡发生器的方案，希望能够提高气膜冷却性能。图5 总结了至今公开文献中研究过的涡发生器与气膜孔的组合形式。

Na 等［54］提出了一种在气膜孔上游设置斜坡的气膜冷却方案。研究表明上游后向台阶斜坡可以大幅增加绝热气膜冷却有效度。Shih 等［55－56］提出了一种在气膜孔下游设置流向阻隔肋的方法，来削弱冷却射流在气膜孔出口形成的肾形涡对主流热气的夹带作用。Rigby 和Heidmann［57］针对单圆柱形气膜孔产生的肾形涡，在喷射角为30°的气膜孔下游设置了一个三角洲形涡发生器。通过Glenn－HT 求解程序［58］的数值结果表明，下游三角洲涡发生器可产生能够有效削弱肾形涡的下洗涡对。Kross 和Pfitzer［59］结合实验和数值方法研究了在带横向凹槽的气膜冷却孔上游布置四面体单元对其气膜冷却有效度的影响。An 等［60］将月牙形块置于普通圆柱形气膜孔的下游，组合成新的气膜冷却方案。相关的PSP 测试结果表明，新结构可以大大增加冷却射流的横向扩散能力，横向平均气膜冷却有效度也明显增加。Kawabata 等［61］则提出了在每个圆柱形冷却孔上游布置流动控制器，表明较高的流动控制器会增加冷却孔的气膜冷却有效度;当流动控制器位于孔中心线时，冷却流的分离现象严重，当流动控制器横向偏离孔中心线时，冷却有效度会增加。

突片(tabs)是一种结构简单的涡激励器，最初是由Bradbury 和Khadem［62］于1975年提出的。Ahuja［63］和Zhang 等［64］通过细致的实验研究，揭示出在突片的下游会产生一对旋转方向相反的涡对，依靠卷吸作用，加强边界层内的湍动，进而改变两股流体之间的混合流场。受突片能诱导产生涡激励的启迪，Ekkad 等［65］和Nasir 等［66］提出了利用突片改善气膜冷却有效度的探索性概念并开展了实验研究，结果表明在气膜孔上游边缘水平放置突片时可以获得最好的冷却效果。

Shih 等［67］在每个气膜孔里设置一个绕流体，改变了原有肾形涡的方向并减弱了其强度。杨成凤［68］研究了三种不同堵塞比下孔内突脊对气膜冷却的影响，发现孔内前缘突脊的存在大大提高了气膜冷却有效度，在高吹风比下效果更为明显，在研究参数范围内，存在最佳堵塞比。

气膜孔与涡发生器的组合应用的目的就是希望通过涡与涡之间的相互作用来削弱不利于气膜冷却性能的有害涡。这种结构设计不再以孔为出发点，转而直接以产生“抗涡”为设计目的，因此其对提高气膜冷却性能的作用是明显的，尤其是在孔附近和远下游区域。

图5 气膜孔与涡发生器的组合方式

无论是单一气膜孔的改型，还是气膜孔的组合抑或是在简单圆柱形气膜孔附近设置涡发生器，最终均是希望通过削弱或是消除有害肾形涡，在不明显增加壁面换热的前提下，达到增加气膜冷却有效度的目的。

3 结论

深入研究燃气轮机高温透平的换热特性，发展高效可靠的冷却技术，对于我国高性能燃气轮机的研发十分重要。本文回顾总结了近年来在气膜冷却技术方面的研究进展，基于当前研究热点和发展趋势，结合作者在这方面的研究经历，认为有关燃气透平的气膜冷却技术需要在以下几方面进一步深入研究:

1)与圆柱形气膜孔相比，新型气膜孔在气膜冷却性能方面有突出的优势，但最大问题是难以加工，因此，相关研究工作一方面应是优化已有的新型气膜孔，使其在工程实际中能够得到应用;另一方面应是深入研究冷却出流中复杂流动结构的形成机理，创新性地提出新型气膜孔，为研究更加高效实用的新型气膜孔及其气膜冷却技术奠定基础。

2)打破单一气膜孔冷却概念的限制，以单一气膜孔组合而成的“气膜冷却单元”为基础，研究“气膜冷却单元”内部参数之间的优化组合将是组合气膜孔的研究重点;同时，以改型气膜孔组成的组合气膜孔冷却或许是一个可以尝试的方向。

3)由于在孔口附近增加了额外的结构，气膜孔与涡发生器的组合结构在实际中的应用会受到极大的限制，未来在叶栅的端壁上应用可能较为合适。如果在透平冷却中应用涡发生器，虽然它能提高气膜冷却性能，但很可能也会大幅增加叶栅的气动损失，同时涡发生器自身的冷却也可能会是一个大问题。因此，接下来应该研究涡发生器在透平冷却中的实际应用，综合考量它在气动和换热冷却方面的性能。

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