涡轮外环是涡轮机匣的一部分,起到保护和支撑机匣作用。随着发动机性能的不断提升,涡轮前进口温度不断提高,因此需要更高效的冷却结构。气膜冷却技术作为当前航空发动机热端部件普遍采用的冷却技术,已经被广泛运用于涡轮高温部件的冷却和热防护。本文利用数值模拟方法,对高压涡轮外环非定常气膜冷却机理进行了详细的研究。本文研究了吹风比、间隙高度变化以及叶顶喷气对涡轮外环气膜冷却特性的影响。研究发现,由于叶片高速旋转,冷却气流受到热主流、叶顶间隙泄漏流和泄漏涡的交替影响,涡轮外环气膜冷却特性明显呈现非稳态周期性流动和传热现象。叶片前缘上游的气膜孔的冷却裕度不足的情况在高低吹风比下都会出现。随着间隙高度的增加,涡轮外环表面平均气膜冷却效率降低。分析叶顶凹槽结构对叶顶间隙泄漏流动的影响规律,并探究该影响规律和涡轮外环气膜冷却能力的联系。提出了一种节流腔提供冷却气流的新型外环冷却结构,在改变低吹风比时第1列气膜孔冷却裕度不足、存在热主流倒灌现象的同时,有望为靠近叶片前缘的高压涡轮外环提供更好的热保护,而不增加冷却气流的总质量流量。吹风比为1时,改进后的外环冷却结构相较于原结构的涡轮外环气膜冷却效率提高了17.14%。