涡轮叶片前缘旋流冷却特性研究
摘要
为了提高涡轮发动机输出功率，涡轮前燃气温度在不断提高，因叶片前缘承受的
高温环境最为恶劣，工程中必须采用主动冷却进行保护。旋流冷却是一种目前认为最
为高效的主动冷却方式之一，以往该方向的研究主要集中于单一旋流腔内进行，本文
将旋流冷却应用到实际叶片的冷却中，并采用气热耦合数值方法进行了研究。
首先，本文对半圆柱形旋流腔进行了数值计算，研究了通道内流场分布以及换热
的规律，并结合文献数据评价出适用于半圆柱形旋流腔的换热关联式，分析了结构参
数对旋流换热的影响。研究发现，射流间距p/R在4.5～6间，具有较高的换热强度，
且p/R=4.5时，综合换热性能最佳；随射流角的增大，换热能力增强；交错入射较同侧
入射换热更加均匀，但换热强度相对降低；相较于圆形喷嘴，长宽比较大的矩形喷嘴
具有更强的抵抗横流能力，且增强了综合冷却性能。
其次，将旋流冷却应用在涡轮叶片前缘，分析了喷嘴布置方式、旋流腔与前缘距
离、旋流腔高度对前缘冷却的影响。研究表明，采用压力面入射时，冷却效率与综合
换热性能均更高；旋流腔与前缘距离越小，前缘冷却效率越高，在间距为2.5mm时，
结构具有最强的综合换热能力；随旋流腔高度的减小，前缘表面温度降低，在旋流腔
高度h=18mm时，综合换热能力最佳。
最后，通过在叶片前缘加入气膜孔，探究了旋流-气膜组合冷却下的流场分布、换
热特性与冷却效率，分析了气膜孔直径与排列方式对前缘冷却的影响，并比较了旋流-
气膜组合冷却与旋流冷却两者冷却性能的差异。结果显示，组合冷却与纯旋流冷却相
比，前缘冷却效率明显提高，且克服了压力面与吸力面冷却效率差值较大的弊端，使
前缘换热更加均匀。
关键词：旋流冷却；叶片前缘；流动换热特性；冷却效率；数值模拟
涡轮叶片前缘旋流冷却特性研究
Abstract
Inordertoimprovetheoutputpoweroftheturbineengine,thetemperatureofthegasin
frontoftheturbineisconstantlyincreasing.Duetotheharshesthigh-temperatureenvironment
bornebythebladeleadingedge,activecoolingmustbeusedforprotectioninengineering.
Swirlcoolingiscurrentlyconsideredoneofthemostefficientactivecoolingmethods.Previous
researchinthisfieldhasmainlyfocusedonasingleswirlchamber.Thisarticleappliesswirl
coolingtothecoolingofactualbladesandusesgas-thermalcouplingnumericalmethodsfor
research.
Firstly,thisarticleconductednumericalcalculationsonthesemicylindricalswirlchamber,
studiedthedistributionofflowfieldandheattransferlawsinthechannel,andevaluatedthe
heattransfercorrelationsuitableforthesemicylindricalswirlchamberbasedonliteraturedata.
Theinfluenceofstructuralparametersonswirlheattransferwasanalyzed.Researchhasfound
thatthejetspacingp/Risbetween4.5and