针对引入前缘气膜冷却的某高压涡轮转子叶片,运用NUMECA进行建模,对引入气膜冷却后的涡轮叶栅流场进行分析,得到了加入前缘气冷后温度、速度、总压等参数的变化。再改变前缘气膜冷气流量,得到了不同流量工况下涡轮叶栅流场的变化情况。通过计算得到结论,冷气流量增大,气膜与叶片壁面分离位置提前,整体流速更快到达最大值且沿着壁面下降更快。冷气流量减小,冷却效率降低;吹风比越大,不同冷气流下冷却效率的变化更为集中;但随着冷气流的改变,总压恢复系数没有发生本质变化。

为进一步探究跨声速涡轮中吸力面切向冷气喷射对叶栅气动性能及气膜冷却效果的影响,以跨声速涡轮叶栅作为研究对象,采用数值模拟方法,通过在叶片吸力面不同位置开设切向冷气喷射槽,进行不同吹风比下的冷气喷射,对跨声速气冷涡轮叶栅的总体性能以及流场细节进行了详细研究。研究结果表明,吸力面切向冷气喷射有利于减小跨声速涡轮叶栅激波损失,叶栅最大马赫数可减小0.104;切向冷气喷射槽位于尾缘内伸激波反射点上游,且吹风比处于0.75～1.00内时,叶栅能量损失最小;吹风比的增大有利于减小甚至消除冷气槽内分离泡,并能够减小唇部激波强度。

为了抑制气膜冷却过程中耦合涡的产生,提出了一种切向出流台阶缝冷却结构,并对其在涡轮导叶吸力面、压力面上布置时的气动性能及冷却特性进行了数值研究。结果表明:在吸力面叶栅通道喉部附近布置时仅使总压损失增加约2%;在压力面布置则能使总压损失、能量损失在低吹风比工况各降低约2.5%,同时出口气流角的增加不到0.1%,而且损失系数和出口气流角对吹风比的变化也不敏感。吸力面、压力面缝后冷却效率均较高,在高吹风比工况平均都有约8%轴向弦长的叶片表面冷却效率接近1.0。

通过改变气膜孔出口槽的位置和形状，在吹风比M=0.5、M=1．0和M=1.5的条件下，对5种不同结构的气膜孔平均冷却效率进行了数值模拟研究，结果表明横向槽能够显著地提高气膜孔的平均冷却效率。

采用圆弧模型,测量了旋转状态下凸表面气膜冷却效率ηad和换热系数hf的分布规律,重点研究旋转数Rt=ωD/u∞对气膜冷却的影响.叶片表面温度采用先进的液晶测温技术进行测量.结果表明：①在旋转离心力和哥氏力的共同作用下,气膜轨迹向高半径方向发生了明显的偏移,并且转速越高偏移角度越大;②旋转使得气膜冷却效率降低,换热系数上升;③在旋转状态下,气膜发生了分离再附壁的现象.

在燃气轮机透平叶片冷却设计中,气膜冷却是一种高效的冷却方式,能保护叶片表面不受高温燃气侵蚀。成型孔是目前广泛应用的气膜孔型。为研究孔型结构对冷却效率的影响作用,展开了数值计算。首先通过数值模拟方法研究了平板上4种不同结构的成型孔在吹风比为1.5~2.5工况下的流动换热规律,发现一种收敛缝型孔具有冷气覆盖面广、冷却效率高的特点。将带展向11°扩张角、流向10°扩张角的成型孔与收敛缝型孔布置在叶片上,进一步展开数值计算,发现在前者的气膜孔排布置下,冷却气分布更加均匀,冷气消耗量少,仅为收敛缝型孔的37%,更符合冷却叶片设计原则。

气膜冷却在保护高温部件的同时,主流与冷气干涉会形成复杂的涡系结构并造成掺混损失,研究二者之间的作用机理对指导气冷涡轮优化设计具有重要意义。本文采用DES(Detached-Eddy Simulation)方法对平板圆柱气膜孔的流场进行非定常数值模拟,分析了涡系演变规律以及掺混损失。结果表明随着吹风比的提高,冷气射流与主流的流动掺混过程表现为两种不同的模式,低吹风比时下游冷气主要受顺时针方向的迎风涡控制,高吹风比时逆时针方向的迎风涡和顺时针方向的背风涡同时控制下游冷气运动;频谱分析显示,流场扰动存在着明显的倍频关系,基频信号由脱落涡产生,频率大小与吹风比呈线性关系;损失分析表明,流场损失主要由冷气与主流的温差换热导致,占总熵损失的90%以上。

为了研究透平流道内端壁气膜冷却射流与主流二次流结构的交互作用,本文采用了RANS的数值方法,湍流模型选用SST模型,对端壁区域近吸力面典型位置处的冷气出流情况进行研究。数值分析发现,近吸力面侧出口射流在与端部涡结构的交互作用下,其冷却能力的损失反而减缓,射流能够在其下游端壁区域形成良好的冷气覆盖;在气动效率方面,射流对主流边界层的扰动使得损失的核心区增大,而横流强度则随着射流动量的增加呈现先增强后削弱的趋势。

通过孔缝结构把温度较低的气体冷却介质输送到需要热防护的壁面上,并沿高温气流的流向形成冷气薄膜,将固体壁面与高温气流隔离开来,防止壁面因直接接触高温气流而超温损坏的技术称为气膜冷却,该技术有效地应用于燃气轮机燃烧室和透平叶片等高温零部件。本研究对某航空燃气涡轮发动机单级跨声速涡轮进行了全气膜冷却设计,采用源项模型对冷气喷射进行仿真,通过数值模拟得到了不同冷气喷射条件下的涡轮流场,研究了冷气喷射对涡轮气动特性的影响,并分析了叶片表面气膜冷却效率。结果表明,随着冷气喷射量的增加,涡轮膨胀比和气动效率均有所下降,降低幅度约2%,而通流能力的增强以及冷气部分动能的有效利用使得涡轮输出功率有一定程度的提高。通过分析叶片表面气膜冷却效率发现当冷气/主流流量比为0.09时获得了最佳气膜冷却效果。

基于冷气喷射模型的验证结果,对冲角分别为0°、15°和-15°三种条件下的叶片前缘3排孔气膜冷却特性进行了三维环形叶栅数值模拟。在吹风比等于1.0时,详细分析了叶片型面静压和气膜冷却效率的分布特征。分析结果表明,冲角的变化使叶片前缘滞止线位置发生偏移,且对叶片前缘静压差产生了很大的影响。相对冲角0°时的情况,当冲角为15°时,叶片吸力面冷却效果增强,压力面冷却效率值降低;当冲角为-15°时,吸力面侧冷却效果减弱,压力面侧冷却效率值升高。