喷头孔注入角度对涡轮叶片级薄膜冷却分布的影响

《Experimental Thermal and Fluid Science》：Effect of showerhead hole injection angle on film cooling distribution in a turbine vane cascade

　　

摘要

本研究通过实验探讨了喷头孔喷射角度对涡轮叶片表面薄膜冷却效果的影响。基于高压涡轮叶片50%弦长剖面设计了一个线性级联实验装置，测试叶片采用增材制造技术制造。冷却液通过独立的内部通道分别供给喷头、压力面和吸力面的孔洞。喷头喷射角度设置为0°、30°和60°，同时还测试了没有喷头孔的叶片，以独立验证孔洞存在与否对冷却效果的影响。在主流入口马赫数为0.109、平均吹风比为1.0和2.0的条件下，使用压力敏感涂料法测量了薄膜冷却效果。结果表明，喷头孔的配置不仅影响叶片前缘区域的冷却效果，还影响下游区域的薄膜冷却效果。较小的喷射角度会降低下游区域的薄膜冷却效果，即使在没有喷头冷却液喷射的情况下也是如此。仅在喷头喷射的情况下，增加吹风比可以增强冷却液的离膜效果；而增加喷射角度则有助于冷却液向叶片护罩侧和上弦长区域的重新分布。在全喷射条件下，上弦长区域的薄膜冷却效果更佳，说明冷却液分布会受到喷头喷射角度的影响。在测试范围内，30°的喷射角度通常在大多数全喷射条件下提供最高的平均薄膜冷却效率（FCE），而较低或较高的喷射角度由于冷却液分布不均匀或过度横向重新分布，导致冷却效果降低。这些结果表明，喷头孔的配置通过改变冷却液在叶片表面的分布来影响叶片的冷却性能。

引言

燃气轮机技术的不断发展旨在提高涡轮转子入口温度（TRIT），从而提升热效率和功率输出。然而，如涡轮叶片等暴露在高温气体中的部件会承受严重的热负荷，这使得耐久性和可靠性成为关键的设计问题。先进冷却技术对于应对这些挑战至关重要[1]、[2]、[3]、[4]。薄膜冷却技术通过在高温主流气流与叶片表面之间形成一层相对冷的冷却液，有效减少了直接的热量传递。冷却性能和空气动力学性能受到薄膜冷却孔的形状、排列和喷射条件的显著影响[2]、[3]、[5]。

近年来，研究工作集中在通过优化孔洞形状以及研究多排冷却液喷射之间的相互作用来提高冷却性能。Jo等人[6]在叶片级联上应用了优化设计的扇形孔，并通过实验分析了上下游喷射排之间的叠加效应，证明多排喷射可以显著影响薄膜冷却效果（FCE）的分布。此外，Jeong等人[7]、[8]研究了非传统孔洞几何形状（如蝴蝶形孔）的FCE和流动特性，并通过实验分析和优化展示了孔洞形状创新的潜力。Park等人[9]对扇形薄膜冷却孔进行了实验优化，证明了优化设计相较于基线设计可以提升FCE。

为了将以往的薄膜冷却性能改进研究成果应用于实际设计，有必要在真实的发动机几何结构和相似条件下进行实验验证。从这个角度来看，GE-E³（高效引擎）项目提供的高压涡轮（HPT）叶片数据被广泛用作后续研究中的级联设计和验证基础，因为这些数据包含了具体的热传递和几何信息[10]、[11]、[12]。Timko的报告[10]详细介绍了GE-E³ HPT的配置和叶片剖面，而Hylton等人[11]、[12]则报告了叶片表面的热传递分布，为基于几何形状的实验和数值研究提供了参考数据。

与平板配置不同，由于曲率、压力梯度、复杂流动结构以及流动边界层（transition）的共同作用，涡轮叶片上的薄膜冷却性能极为复杂。特别是前缘（LE）区域存在停滞区和强烈的表面曲率，这对冷却液的附着有不利影响，增加了冷却设计的复杂性。喷头（SH）薄膜冷却技术已在各种孔洞几何形状和喷射条件下被广泛研究用于涡轮叶片前缘冷却[13]、[14]、[16]。Reiss和B?lcs[13]比较了圆柱形孔和形状孔组成的喷头阵列，发现停滞区域内的薄膜冷却和热传递特性会随孔洞配置的不同而变化。Lu等人[14]表明，圆柱形叶片上喷头孔形状的变化显著影响FCE和喷流特性，并指出随着喷射角度的增加，前缘区域的冷却效果有所提升。Elnady等人[15]发现，在某些条件下，在前缘区域使用扩展形状孔可以改善薄膜冷却性能。此外，Gao和Han[16]通过压力敏感涂料（PSP）测量发现，孔洞形状对冷却效果的影响会随吹风比的变化而变化。

为了定量评估整个叶片上的薄膜冷却性能，PSP技术提供了高分辨率的FCE分布数据，并在许多实验研究中得到广泛应用[17]、[18]。Shiau等人[17]使用PSP量化了涡轮叶片端壁和叶片表面的FCE，并验证了其实验有效性。Barigozzi等人[18]系统讨论了PSP测量技术在级联测试设施中的适用性、优势和局限性。

尽管上述研究对喷头薄膜冷却机制有了深入理解，但大多数先前研究主要关注前缘区域的局部冷却性能，或者探究在联合同步冷却液供应条件下的孔洞几何形状、喷射角度和吹风比的影响。然而，喷头孔配置对压力面和吸力面下游薄膜冷却分布的影响尚未在实验中得到充分验证。特别是，没有喷头冷却液喷射时喷头孔的存在及其与独立供给的下游冷却液之间的相互作用尚未得到充分研究。

在本研究中，使用了Timko[10]报告的GE-E3 HPT叶片50%弦长剖面设计的线性级联装置，系统地改变了喷头孔喷射角度（0°、30°和60°）作为独立参数。冷却液分别供给喷头（SH）、压力面（PS）和吸力面（SS）通道，以便分别评估喷头孔的存在、仅喷头喷射和全喷射条件下的冷却效果。同时还包括了没有喷头孔的叶片，以单独考察孔洞存在对下游FCE分布的独立贡献。使用PSP技术获取了整个叶片表面的全表面FCE分布数据，提供了高分辨率的结果。本研究的目的是明确喷头孔喷射角度和孔洞存在如何同时影响前缘冷却以及下游压力面和吸力面的冷却液分布。

章节摘录

测试设施

图1展示了本研究中使用的韩国航空航天大学跨音速级联测试设施（KAU-TCTF）。该设施作为一个基于相似性的实验平台构建，用于模拟燃气轮机发动机的工作条件。它是一个可控制质量流量达10 kg/s的吹风式风洞，在6 kg/s的质量流量下能够提供约30秒的测试时间[6]、[19]、[20]。该设施支持主流入口雷诺数的实时监测和控制。

喷头孔存在对薄膜冷却效果的影响

图8和图9展示了仅从压力面（PS）和吸力面（SS）孔喷射冷却液（无喷头喷射）时的FCE分布。图10显示了沿叶片弦长的平均FCE分布，而图11总结了整个叶片表面的平均FCE。

对于Vane_SH0（图8(a)），在压力面上观察到了冷却液的非均匀横向分布，同时叶片下游区域的FCE迅速下降。

结论

本研究使用PSP方法实验研究了圆柱形喷头孔的喷射角度和吹风比对高压涡轮叶片表面薄膜冷却效果的影响。实验中使用了喷头（SH）、压力面（PS）和吸力面（SS）孔独立供给冷却液的叶片，以便系统比较喷头孔的存在、仅喷头喷射和全喷射条件下的冷却效果。

结果表明，即使在没有喷头喷射的情况下，

CRediT作者贡献声明

Woojun Kim：撰写初稿、可视化处理、验证、数据分析、形式化分析、数据管理。Chan Gyu Lee：验证、方法论研究、数据分析、形式化分析。Wonseok Lim：验证、软件开发、数据管理。Jin Young Jeong：方法论研究、数据分析、概念构思。Min Seok Kang：数据分析。Jae Su Kwak：撰写修改、监督、项目管理、资金筹措、概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了京畿道区域研究中心（资助编号：GRRC-2023-B04）的支持，该中心由京畿道政府资助；同时得到了韩国能源技术评估与规划研究所（KETEP）（由MOTIE资助）（资助编号：RS-2025-02662968）的支持。

Woojun Kim|Chan Gyu Lee|Wonseok Lim|Jin Young Jeong|Min Seok Kang|Jae Su Kwak

韩国航空航天大学空间系统工程跨学科项目，位于大韩民国京畿道果阳市