【摘 要】
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航空发动机是飞机的心脏,发动机性能很大程度上取决于涡轮进口温度的高低。在材料耐温能力有限的情况下,以薄壁双层壁叶片为代表的新型叶片冷却结构的提出对发动机性能的提升具有重要意义。为促进薄壁双层壁叶片结构在发动机中的实际应用,本文基于数值模拟研究了不同长径比下基本气膜孔型（圆柱孔、扇形孔及前倾孔）的气膜冷却特性变化,在此基础上对扩张孔结构进行优化;另一方面,基于心形抗涡孔的构建理念设计了圆锥组合孔,分
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航空发动机是飞机的心脏,发动机性能很大程度上取决于涡轮进口温度的高低。在材料耐温能力有限的情况下,以薄壁双层壁叶片为代表的新型叶片冷却结构的提出对发动机性能的提升具有重要意义。为促进薄壁双层壁叶片结构在发动机中的实际应用,本文基于数值模拟研究了不同长径比下基本气膜孔型（圆柱孔、扇形孔及前倾孔）的气膜冷却特性变化,在此基础上对扩张孔结构进行优化;另一方面,基于心形抗涡孔的构建理念设计了圆锥组合孔,分析二者的气膜冷却特性确定较优的抗涡孔结构;研究优化的抗涡孔及扩张孔在叶片不同位置的气膜冷却特性,确定最优的气膜孔结构,并验证了Sellers气膜冷却效率预测模型的适用性。主要研究内容及结论如下:（1）不同长径比下基本气膜孔型结构参数对气膜冷却流动特性的影响研究。基于数值模拟研究长径比L/D=2、5时,不同吹风比下复合角孔、扇形孔、前倾孔的结构参数对气膜冷却效率的影响。结果表明,当长径比L/D较小时,气膜孔内射流不充分发展,气膜出口动量及湍流度较大,气膜冷却作用效果明显减弱;侧向扩张角及前倾角均可降低气膜孔出口射流动量,增大孔下游气膜冷却效率,当长径比L/D=2时,侧向扩张角的优势更为明显。（2）短长径比扩张孔响应面分析及结构优化研究。基于基本气膜孔型的冷却流动特性分析,对以侧向扩张角、前倾角及扩张段长度为变量的扩张孔进行响应面分析,建立了展向平均气膜冷却效率、孔出入口面积比及流量系数与各结构参数的关系模型,并验证了优化结果的准确性,结果表明,当孔出入口面积比AR=2.48时,扩张孔冷却特性最优。在此基础上,以定孔出入口面积为原则,设计九种扩张孔结构,分析其气膜冷却流动特性。结果表明,侧向扩张角为18°、前倾角为5°时,扩张孔气膜冷却效率最高。（3）短长径比抗涡气膜孔的结构优化研究。基于心形孔的构建理念,引入侧向扩张角及前倾角,设计了圆锥组合孔,基于数值模拟平板模型对比分析圆锥组合孔及心形孔的气膜流动特性。结果表明,孔下游射流涡旋发展与孔内冷却气流的发展有着密切联系,射流涡旋高度与孔内涡旋距右侧壁面的距离有关,气膜涡旋间距与孔内涡旋间距直接相关。相较于圆锥组合孔,心形孔下游的反肾形涡射流结构对提高气膜贴壁性更为有利。抗涡孔与心形孔的气膜冷却效率对比结果表明,当吹风比M=0.5、1.0时,心形孔的气膜冷却效率最高。当吹风比M=1.5时,FH18/5孔的展向平均气膜冷却效率最高,且FH18/5孔气膜冷却效率受吹风比的影响较小。（4）叶片不同位置的气膜孔冷却特性研究。基于优化的气膜孔结构,构建叶片气膜冷却计算模型,对比分析叶片不同位置心形孔、FH18/5孔及复合角圆柱孔的冷却流动特性。结果表明,相较于复合角圆柱孔,心形孔及FH18/5扩张孔的气膜覆盖范围明显较大,气膜贴壁性更好。叶片压力面及吸力面x/D>25范围内,心形孔及FH18/5孔的气膜冷却效率差异较小,在叶片吸力面气膜孔下游x/D<25的范围内,FH18/5扩张孔的气膜冷却效率较心形孔更高,且随着吹风比的增大,二者的差异逐渐增大。（5）叶片多排新型气膜孔冷却效率叠加预测Sellers模型优化。基于叶片单排孔模型构建叶片吸力面及压力面的多排孔计算模型,并根据单排气膜孔的仿真结果数据及Sellers模型计算多排孔气膜冷却效率,预测结果与多排孔计算结果对比,分析Sellers模型预测准确性。结果表明,Sellers模型对叶片短长径比新型气膜孔的冷却效率预测结果准确性较差。探究多排孔中前排孔射流对后排孔气膜分布的影响,并分别针对叶片吸力面及压力面进行Sellers模型的优化,修正后压力面及吸力面气膜冷却效率预测模型平均误差分别为6.18%及2.83%。
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