带弧形中通道间隙的涡轮端壁膜冷却热力气动性能

《International Communications in Heat and Mass Transfer》：Thermal-aerodynamic performance of turbine endwall film cooling with an arcuate-shaped mid-passage gap

　　

• 弧形间隙可封存冷却剂以补充局部端壁冷却。• 合适的泄漏射流角度有助于改善冷却剂的贴壁性能和覆盖范围。• 级联形侧壁可抑制热气侵入并增强横向输运。• 在2.1%泄漏流量下，泄漏影响区域的冷却效果提升43.2%。• 轮廓型中通道间隙（MPG）影响下游气膜孔的最优布局与参数。

## 引言

涡轮入口温度（TIT）是决定航空发动机推重比和热效率的关键热力学参数。为进一步提高燃气轮机的效率和输出功率，TIT已大幅提升，并超过了先进高温合金和陶瓷基复合材料的温度极限[1]。与此同时，涡轮端壁的气动形状日益复杂，表面积随之增大，导致热载荷显著增加[2]。此外，端壁区域通常承受三维非定常流[3]、[4]以及高温主流气体的直接冲击[5]、[6]。复杂的三维二次流结构，如马蹄涡（HSV）、通道涡（PV）和角涡[7]、[8]、[9]，在涡轮叶栅通道内发展，显著改变了近端壁流场和传热特性。

因此，气膜冷却作为一种有效的热防护方法，被广泛应用于涡轮端壁[10]、[11]、[12]、[13]。以往研究主要通过优化气膜孔几何形状[14]、[15]、[16]、孔布置[17]、[18]、缘封回流[19]、[20]以及中通道间隙（MPG）泄漏流[21]、[22]来提高端壁冷却性能。在这些因素中，MPG是涡轮叶型端壁组件中不可避免的工程设计特征，因为相邻叶片端壁之间必须预留一定间隙以容纳发动机运行时的热膨胀。尽管通过MPG排出的冷却剂可以提供额外的端壁冷却，但相关的泄漏涡（LV）可能会扰动现有的气膜层，增加气动和热损失。因此，MPG泄漏的作用并非纯粹有益的，其与主流和离散气膜冷却射流的相互作用必须予以仔细考量。

早期关于MPG泄漏的研究主要关注其在涡轮叶栅中的气动和传热效应。Piggush等人[23]测量了具有轮廓端壁的MPG泄漏流相关的气动损失，Lange等人[24]利用实验与数值相结合的方法研究了MPG对端壁传热的影响。Park等人[25]进一步表明，在低质量流量比下，MPG泄漏流可以改善下游气膜冷却效果，但在较高质量流量比下可能加剧涡流相互作用、传热和气动损失。这些研究表明，MPG泄漏的冷却贡献强烈依赖于泄漏动量及其与二次涡流的相互作用。Wang等人[26]进一步阐明了MPG引起的涡流演化过程，揭示了冷却剂与主流之间混合的增强效应。因此，必须考虑MPG泄漏、复杂涡流系统和离散气膜冷却射流的耦合效应。在同时存在MPG泄漏和离散气膜孔的构型中，Chowdhury等人[27]报告了MPG泄漏与相邻离散孔射流的相互作用，通过改变压力侧（PS）喷射行为修改了局部冷却剂覆盖范围，而Song等人[28]通过实验表明，当气膜孔同时布置在叶片和端壁的压力侧时，MPG的存在会限制压力侧端壁上冷却剂的扩散。基于这种耦合流动行为，Zhang等人[29]优化了在MPG泄漏与离散孔冷却共存条件下的端壁气膜孔布局，Zhang等人[30]进一步证明增加气膜孔与MPG之间的距离以及采用交错孔布置可以增强端壁冷却并减少气动损失。总体而言，这些研究表明MPG泄漏不能被视为独立的冷却源；相反，其与离散气膜孔和通道二次流的耦合对于端壁冷却设计至关重要。

除了外部气膜孔布置之外，一些研究还考察了MPG内部结构对泄漏流控制的影响。密封条通常安装在MPG与冷却剂腔室之间，以抑制主流侵入并减少密封冷却剂消耗[31]。Park等人[32]通过改变密封条的周向位置来限制进入MPG的冷却剂入口面积，发现50%密封入口相较于未密封情况在间隙附近产生了更高的传热系数。类似地，Hada和Thole[33]表明减小密封条与MPG之间的径向间隙可以有效地抑制主流侵入并改善下游冷却。由于装配和运行条件也可能引入间隙错配，Song等人[34]研究了MPG错配的影响，发现其通常会降低端壁气膜冷却性能，尽管抬起PS端壁增强了叶片SS上的冷却剂覆盖。从理论角度，Shaikh和Rosic[35]建立了MPG泄漏流的低阶解析模型，表明泄漏主要由外部静压梯度驱动；将间隙宽度减小至粘性主导区域可以最小化气动损失和传热损失。这些研究表明，MPG泄漏不仅受冷却剂供给的约束，还受内部间隙几何、密封条件和通道压力场的影响。

最近，MPG设计开始从被动容纳泄漏向主动调节泄漏流转变。例如，Song等人[36]在一项独立研究中考察了泄漏射流角度的影响，表明将喷射角度从常规的90°减小到更小的角度朝向吸力侧端壁可以改善气膜冷却效果并减少气动损失。Lu等人[37]提出了一种曲面型MPG构型，并通过实验与仿真相结合证明，虽然对于不同的曲率很难同时最大化峰值气膜冷却效果和覆盖面积，但曲面MPG相比直间隙仍提供了显著的改善。Li等人[38]进一步引入了一种具有可变表面角度的MPG，表明上下游组合倾斜可以显著增强端壁冷却，尤其是在高质量流量比下。这些研究证实了通过几何控制调节MPG泄漏的潜力，但仍局限于涉及单一MPG泄漏流的构型。

总体而言，大多数关于涡轮叶栅MPG的研究集中在调节泄漏流参数以提高端壁气膜冷却性能。然而，一个根本性的限制依然存在：仅调节泄漏质量流量不足以消除主流侵入间隙并抑制泄漏涡的不利影响。尽管一些研究试图通过修改MPG几何形状来减少主流侵入间隙[37]、[38]，但在传统直壁间隙中仍然存在严重的主流侵入。在实际应用中，因此在MPG内部通常安装密封条来限制主流向冷却剂腔室的渗透，同时维持密封功能需要额外的密封冷却剂。此外，这些轮廓间隙泄漏流与下游离散气膜冷却射流的相互作用以及它们综合的热-气动性能尚未得到系统评估。针对这些问题，本研究提出了一种具有弧形侧壁的轮廓MPG设计，同时保留代表实际MPG密封结构的密封条。通过修改MPG侧壁形状和调节泄漏流喷射角度，改变了间隙内的固有横向压差梯度，从而调节泄漏流的方向和动量并抑制主流气体向间隙的侵入。研究了轮廓MPG泄漏对端壁气膜冷却效果、传热特性、净热通量减少和气动损失的影响。

## 小节要点

### 涡轮端壁中通道间隙的轮廓设计

本研究关注一种典型的曲面涡轮端壁叶栅通道。为模拟实际燃气轮机发动机中的真实流动环境，在端壁表面布置气膜冷却孔，并在MPG内引入泄漏流。间隙尺寸以轴向弦长（Cax）进行无量纲化处理。

涡轮叶栅通道的几何构型如图1所示。截面A展示了常规MPG的截面几何形状。

### 计算模型与边界条件

图4(a)展示了本研究采用的计算模型。主流流动域的两个侧壁施加周期性边界条件。计算域入口位于叶栅前缘上游1Cax处，出口位于叶栅后缘下游0.5Cax处。主流入口指定为压力入口，冷却剂同时通过三个冷却剂腔室的流量入口边界条件供给。

### 具有二次流的气膜冷却特性

不同的轮廓间隙构型可能会影响端壁表面附近二次流涡流的分布和强度。图8展示了四种无冷却剂的间隙构型的端壁涡流结构。无量纲主流温度定义为T*。T* = T/T∞，其中T为局部温度。

端壁冷却构型的变化会改变二次流涡流系统。涡轮叶栅通道具有几个主导涡流特征。

## 结论

本研究对包含气膜冷却孔和弧形MPG的涡轮端壁冷却构型进行了全面的数值研究。系统考察了MPG泄漏流喷射角度φ、内部侧壁形状以及泄漏质量流量比对气膜冷却性能及相关评估参数的影响。主要结论如下：

1. 在MFR = 0.7%时，泄漏动量不足以阻止主流侵入，且轮廓型MPG泄漏效果有限。

## CRediT作者贡献声明

Lin Ye：方法论、调查研究、资金获取、正式分析、概念化。Wei Deng：方法论、正式分析、数据整理、概念化。Xiyuan Liang：正式分析、数据整理。Xinyu Wang：正式分析、数据整理。Cunliang Liu：资金获取、概念化。Weijiang Xu：方法论、资金获取、概念化。

## 利益冲突声明

作者声明不存在任何可能影响本文所述工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

## 致谢

我们感谢国家自然科学基金（项目编号：U2241268、T2550240）和陕西省创新能力支持计划（项目编号：2026RC-KJXX-092）为本研究提供的资金支持。

Lin Ye | Wei Deng | Xiyuan Liang | Xinyu Wang | Cunliang Liu | Weijiang Xu