王海濤，張文武，郭春海

（中國科學院寧波材料技術與工程研究所浙江省航空發(fā)動機極端制造技術重點實驗室，寧波 315201）

現(xiàn)代航空發(fā)動機或燃氣輪機的發(fā)展趨勢在于追求越來越高的推重比，提高推重比的重要途徑之一就是提高渦輪進口溫度。正在研制的推重比12～15 航空發(fā)動機渦輪進口平均溫度達到2073.15K，下一代發(fā)動機的渦前進口溫度預計將達到2300～ 2400K[1]，這已經遠遠超過葉片鈦/鎳基合金的耐受溫度。因此要解決這個問題存在兩種技術路線：一種是使用新材料以提高葉片本身耐高溫工作性能。如國外羅·羅公司Ultrafan發(fā)動機采用的碳鈦合金[2]，歐洲、美國、日本等競相研究的可將熱端部件服役溫度提高到1650℃的陶瓷基復合材料（Ceramic matrix composite，CMC）[3]等；國內西安交通大學機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室研制出的Cf/SiC 復合材料，北京科技大學新金屬材料國家重點實驗室研制出的高鈮鈦鋁合金[4]等。另外葉片表面噴涂熱障涂層[5]也可提高葉片耐高溫性能。另一種是使用冷卻技術（如沖擊冷卻[6]、發(fā)散冷卻[7]、氣膜冷卻[8]等）降低葉片表面溫度，而冷卻結構設計是冷卻技術的核心。事實上，冷卻結構設計通常受空氣動力學、熱應力、機械應力、制造工藝、冷氣消耗量等因素的相互約束。理想狀態(tài)下二維槽縫的氣膜冷卻效果最好，但是其他因素無法滿足，故而目前離散氣膜冷卻孔運用較為普遍。

氣膜冷卻孔的設計都是圍繞兩個目標，即提高冷卻效率η和擴大展向覆蓋面積S?？椎膸缀螀档母淖儼讬M縱傾斜角、孔徑 、孔長徑比、孔間距、孔入口形狀、孔出口的形狀、孔道形狀等。研究發(fā)現(xiàn)氣膜孔的氣動損失主要分為孔道損失和二次流與主流之間摻混損失。美國明尼蘇達大學Goldstein[9]較早地綜述了平板氣膜冷卻，介紹了不同幾何冷卻結構和流場參數對氣膜冷卻的影響。德克薩斯大學奧斯汀分校Bunker[10]總結了經典氣膜冷卻孔形和孔附屬結構的發(fā)展思路，從冷卻效率、流場、傳熱系數、流量系數、工藝性能等方面評價孔性能，為后面更先進的冷卻孔形的出現(xiàn)打下基礎。

本文詳細介紹了近些年氣膜孔結構對氣膜冷卻傳熱特性影響的研究進展，著重探討了國內外關于氣膜孔幾何結構對氣膜冷卻特性影響的研究成果, 主要分為以下3 個方面：（1）二次流與主流交互區(qū)的流場特征及氣膜冷卻特性提升的機理； （2）氣膜孔形的變化對冷卻性能的影響；（3）氣膜冷卻孔排布方式和附屬結構對氣膜冷卻特性提升的影響。近些年新的氣膜孔形不斷涌現(xiàn)而相關綜述比較少，且大多關注冷卻技術。本文僅聚焦于氣膜孔形和圍繞氣膜孔而產生的新型附加結構，并不涉及新的特種冷卻技術。

氣膜冷卻的機理研究

氣膜冷卻的過程主要為二次流與主流相互作用的過程。二次流與主流相互作用在很大程度上由孔出口處的局部壓力梯度決定。南京航空航天大學Zhang 等[11]繪制了流場結構圖，如圖1 所示。流場主要由射流前沿的迎風渦（WV）、對旋渦對（CVP）（也叫腎形渦）、射流周圍的馬蹄形渦流（HV）和射流后緣的背風渦（LV）組成。CVP、HV 等渦流會將熱氣卷入至壁面，如圖2 所示[12]，因此邊界層上渦流位置和強度對冷卻效率有著重要影響。

圖1 射流與主流交互區(qū)的渦旋結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of vortical structures of jet in crossflow

氣膜冷卻孔形介紹

氣膜冷卻技術最早用于飛機機翼防冰[13]。20 世紀70年代美國開始重視氣膜冷卻技術在葉片冷卻上的應用。早期的氣膜冷卻孔是圓柱孔，但是隨著研究深入，逐漸發(fā)現(xiàn)圓柱氣膜孔存在展向覆蓋面積較小、射流動量集中、對熱主流的穿透性較強、孔間冷卻效率很低、高吹風比M下近孔出口下游冷卻效率低等缺陷。Goldstein 等[14]第一個研究了由異形孔產生的氣膜冷卻特性，試驗件為出口展向擴張角為10°的扇形孔。Goldstein 認為，氣膜孔出口形狀和孔道幾何形狀的變化會使二次流更貼壁。提出了使扇形孔冷卻性能優(yōu)于圓柱孔的兩種可能機理：一種是孔出口二次流動量的減小，從而對主流穿透性減弱；另一種是因為柯恩達效應，使得氣膜層更貼附表面。試驗結果顯示，扇形孔的二次流具有出色貼壁性?？椎闹行睦鋮s效率隨M變化而保持穩(wěn)定，幾乎保持在等徑圓孔最高流量下的冷卻效率。實際上一般當M≥0.5 時，圓形氣膜孔冷氣膜“吹離”壁面。但是隨著M的提高，扇形孔氣膜的冷卻效果會變得越來越好。許多學者逐漸提出了各種不同形狀的孔形，下文將詳細進行介紹。

1 經典孔形

經典異形孔主要分為4 個基本幾何形狀[9]，如圖3 所示[9]。A 形孔是經典的后傾扇形孔，既包括展向擴張角β，也包括后向傾斜角δ，這種后傾結構后來被很多異形孔采用；B 形孔僅包含展向擴張角β；C 形孔僅包含后向傾斜角δ；D 形孔是一個出口發(fā)散的圓錐形氣膜孔。由此衍生出了許多收斂–發(fā)散形氣膜孔形，該類氣膜孔性能優(yōu)異，是當今的研究熱點。

針對此類氣膜孔，各國學者進行了不同的研究。德國卡爾斯魯厄大學Giebert[15]和Thole[16]等數值模擬和試驗測量了在相同條件下圓孔、扇形孔和后傾扇形孔的孔出口流體相互作用區(qū)的流場。結果表明，在沿二次流中心線和展向分布上，異形孔無論在冷卻效率還是展向擴張能力上均比圓柱孔要好，異形孔對湍流強度變化的敏感性更低。

美國華盛頓大學Haven 等[17]用平面誘導熒光測量了后傾扇形孔的流場結構，結果表現(xiàn)出明顯反腎形渦流動結構。事實上，反腎渦過強會將冷卻膜攤薄，從而有可能導致下游的氣膜冷卻效率降低。扇形孔也有此種特征，但程度較輕。扇形孔的馬蹄渦比圓柱孔的小，不能完全環(huán)繞射流，與二次流相遇即消失，且分離區(qū)小，下游流線均勻。 后傾扇形孔的斜面可以使射流更好地貼附在壁面上，孔出口處也沒有分離區(qū)。

圖2 后傾扇形孔的前緣馬蹄渦Fig.2 Horse shoe vortex formation for blowing holes with laid–back

2 收縮–擴張形氣膜孔

在異形孔領域，為了消除氣動損失嚴重的現(xiàn)象，提出了收縮–擴張孔（Covering–slot hole，CONSOLE）。冷卻機理是其孔道逐漸收縮，迫使冷氣加速沿展向流動，在孔出口形成一對反腎渦，降低二次流的穿透性且阻止了熱主流被卷入孔道，冷卻效率得以提高，同時在孔道內形成順壓梯度，分離渦尺寸變小[18–21]。收縮–擴張形孔主要分為兩種：一種是孔出入口面積比（Area ratio，AR）通常小于1；另一種是RTSH（Round–to–slot shaped holes），AR 不固定。研究證明AR>1 的RTSH 的氣動損失更小。

CONSOLE 由澳大利亞塔斯馬尼亞大學Sargison 等[22]發(fā)明，如圖4 所示[22]。與圓柱形孔和扇形孔相比，CONSOLE 擁有更均勻的展向氣膜冷卻效率分布和更少的氣動損失，是最接近平面槽縫冷卻的孔形[23]。槽縫和CONSOLE 不會顯著改變邊界層的流動狀態(tài)，但是扇形和圓柱孔會增厚邊界層。CONSOLE 孔道內的氣動損失很大，二次流的壓力降較大，二次流與主流的摻混導致出口附近湍流度較大[24]。小AR 的CONSOLE 可以產生更高的冷卻效率，但是其流量系數會下降。

南京航空航天大學Huang等[25–26]采用多目標優(yōu)化方法模擬了平板單排不同幾何尺寸RTSH，如圖5 所示，目標函數為空間平均氣膜冷卻效率和流量系數Cd，變量為長徑比L/D、孔傾角θ、孔高t、槽寬s和吹風比M。試驗結果表明，M越大，RTSH 形狀越顯著地影響氣膜層往下游發(fā)展，θ、t的減小會導致氣膜冷卻效率增加，s的增加會使得流量系數增加。Liu等[27]提出了新型異形孔——束腰形槽縫孔。如圖6 所示[27]，該形孔出口槽縫向內凹，則孔出口兩側產生了類似于導流槽結構。該形孔的冷卻機理是產生一個反腎渦對。對比束腰形槽孔和CONSOLE，結果表明，當CONSOLE 的β較小時其二次流無法很好地覆蓋孔間區(qū)域。但是束腰形槽孔可以通過其腰形結構彌補這一缺陷。其導流槽結構迫使更多的射流流向兩側，所以在孔間產生厚氣膜層，因而冷卻效率高，且熱通量比小于1。

韓國仁荷大學Kim 等[28]將收縮–發(fā)散孔與扇形出口組合起來，并在扇形出口前設置圓柱段，如圖7 所示[28]。圖8[29]顯示了孔道擴散段中的分離區(qū)，由于冷氣朝向孔軸線偏轉，在擴散入口處出現(xiàn)了非對稱的速度分布，這種現(xiàn)象稱為噴射效應。分離區(qū)域形成于孔的后緣，并將冷射流擠到側面。與扇形孔相比，這種孔在M為0.5、1.0 和1.5 時分別將空間平均氣膜冷卻效率提高了4.3%、5.9%和9.9%。收縮–發(fā)散扇形孔也抑制了噴射效應。

圖3 4 種經典氣膜孔形Fig.3 Defined geometries for four types of shaped film holes

圖4 CONSOLE 幾何圖Fig.4 Schematic of covering-slot hole

圖5 RTSH 幾何尺寸圖Fig.5 Schematic of round-to-slot shaped hole

圖6 束腰形槽縫孔排Fig.6 Configuration of waist-shaped film cooling hole rows

這種在孔出口將二次流導向兩側以增強氣膜展向分布能力和促進反腎形渦形成的設計越來越被許多設計師采用。比如設置導流槽為箭形孔，入口呈矩形而出口是箭形，孔內流速最大處約在孔道中部。日本石川島播磨重工Okita 等[30]在葉片吸力面和壓力面上對比了箭形孔與后傾扇形孔的冷卻性能，如圖9 所示[30]，誘導的反腎渦取代CVP，二次流的展向覆蓋能力得到增強，對主流的穿透性大幅減弱,氣膜貼壁性大大增強，摻混減弱。馬來西亞理科大學Yusop 等[31]提出了心形氣膜冷卻孔形，如圖10 所示[31]。心形孔冷卻效率提升機理是通過在其兩個導流槽之間創(chuàng)建引起吹脫現(xiàn)象渦的強度衰減區(qū)，因而氣膜貼壁性得到增強。其本質是利用每個導流槽產生的類似單圓柱孔的腎形渦來產生抵消效應，因而各自的渦流強度得到減弱，如圖11 所示[30]。

3 帶有副孔的異形氣膜孔

許多學者還提出了一些主孔+副孔的異形孔。Dhungel[32]和NASA的Heidmann[33]等最先提出在主孔兩側帶支孔結構以方便產生反腎渦的氣膜孔型。將最大的一個主孔放置在中間，另外兩個小孔在兩側均具有復合角，這被稱為抗渦設計，可實現(xiàn)高效的氣膜冷卻。

圖7 帶有圓柱段的收縮–發(fā)散扇形出口氣膜孔幾何結構圖Fig.7 Geometries of a fan-shaped converging-diverging hole with a cylindrical part

圖8 收縮–發(fā)散扇形氣膜孔內部流場Fig.8 Flow structure inside fan-shaped converging diverging hole

圖9 在M=2.3 條件下葉片吸力面上箭形孔的出口二次流速度矢量和氮摩爾分數圖Fig.9 Calculated secondary velocity vectors and nitrogen mole fraction contour near arrowhead-shaped film cooling hole exit on suction surface, M=2.3

圖10 心形孔三維尺寸Fig.10 Three-dimensional sketch for heart-shaped cooling hole

圖11 心形孔渦流抑制機理圖Fig.11 Vortex mitigation in heart-shaped hole

上海飛機設計研究院魏小峰等[34]提出了帶抑渦支孔結構的新型氣膜孔，如圖12 所示[34]。新型孔的冷卻效率要高于圓柱孔，特別是在高M條件下更明顯。當M=0.5 時，三者的冷卻效率差別不大；當M> 0.5 時，兩輔孔與主孔平行的孔型和兩輔孔在下游的孔型冷卻效率差別不大，但均高于兩輔孔在上游的孔型，隨著M的增大效果更明顯。這種新結構無論是氣膜貼壁性還是展向覆蓋性均好于圓柱形孔。

圖12 抑渦支孔結構模型Fig.12 Anti–vortex hole models

西安交通大學Zhou 等[35]用數值模擬了這種三孔組合結構，如圖13 所示。其結構由一個中心主孔和兩側副孔組成，原理是利用兩側副孔產生的腎形渦與主孔腎形渦產生的抵消效應，從而削弱主孔的腎渦強度，提高冷氣膜的冷卻效率和展向覆蓋面積。

圖13 主副孔結構圖Fig.13 Schematic diagram of sister holes cooling structure

4 其他新孔形

另外，還有部分學者提出了一些其他的新孔形。西北工業(yè)大學孟通等[36]提出了邊倒圓型氣膜孔。如圖14 所示[36]，該孔基本特征為在氣膜孔出口前緣處進行倒圓處理，倒圓半徑R=0.22D。由于新孔出口的擴張結構，二次流在氣膜孔出口處更易膨脹和受到主流的擠壓作用影響，相比于圓柱孔不僅氣膜展向覆蓋范圍較大，而且冷氣更貼近壁面，冷卻效率較高，在高M下也沒有明顯的“吹脫”現(xiàn)象。邊倒圓型孔的前緣處主流與射流摻混更劇烈，具有較高湍流度的摻混氣體會顯著增強該區(qū)域的換熱系數。值得注意的是，在較低的M條件下，孔的下游遠處的氣膜覆蓋面積較大，二次流抗摻混能力強，換熱系數較低。在M=4 時，邊倒圓型孔下游后半段冷卻效率比圓孔的低，但邊倒圓型氣膜孔的流通能力較強，流動損失明顯減小，流量系數比圓柱孔高約 5%，壓力損失較小。

西北工業(yè)大學Zhang 等[37]對比了5 種橢圓孔（變量為孔出口長寬比l/d）和圓柱孔出口的冷卻性能，如圖15 所示[37]，橢圓孔能產生一對反腎渦對以抵消CVP 的影響。結果表明，在任意M下，擁有高l/d孔形的展向平均氣膜冷卻效率高于低l/d孔形，這種l/d的增加使對旋渦對更靠近壁面，并提供了更好的氣膜冷卻效果。

圖 14 邊倒圓型氣膜孔的幾何結構和出口網格圖Fig.14 Schematic diagram of radiusing-type hole and computational mesh grid of its exit

圖 15 不同長寬比的橢圓孔出口Fig.15 Different configurations of elliptical or super-elliptical holes with various length-to-width ratios

除了以上一些典型的氣膜孔形狀之外，還有月牙形[38]、角形[39]、百葉窗形[40]、啞鈴形和豆形[41]、樹葉形[42]等孔形，這些新孔形無論在傳熱還是氣動方面都有自己獨特的優(yōu)勢[43–44]，不過還需要進一步研究。

結論及展望

異形孔已經被證明其冷卻性能和氣動性能均優(yōu)于圓柱形孔，基于后傾扇形孔而衍生出的各種孔形也擁有良好的氣膜冷卻性能，這些創(chuàng)新的設計為面對越來越嚴苛的熱防護要求所帶來的挑戰(zhàn)提供了很多可行的解決思路。但是迄今為止，異形氣膜孔研究方面還存在如下一些問題：

（1） 這些創(chuàng)新形孔的設計研究很少考慮工藝可行性，目前葉片異形孔的加工方法主要有電液束打孔、激光打孔、電火花打孔等。每種技術都有其各自的優(yōu)勢與缺陷，同一種孔形在不同工藝加工下會有不同的幾何精度、表面粗糙度、經濟性等諸多指標，所以在產品設計之初就進行全流程、全壽命考量是未來的發(fā)展趨勢。

（2）孔形的仿真多以流道模型仿真居多，真實葉片模型仿真較少。試驗以平板試件仿真居多，真實葉片試驗較少。因此在數值分析和試驗條件上與真實工況有差異。以后的數值模擬要建立整體葉片模型甚至附上渦輪盤在真實工況下進行計算，對于氣模冷效的測試實驗臺也要盡可能地真實還原發(fā)動機內部的運行工況。

（3）當前，后傾扇形孔等經典異形孔已經可以滿足五代機的發(fā)動機冷卻特性需求，所以我國現(xiàn)階段異形孔的發(fā)展應主要集中于經典異形孔的數據庫完善上，盡可能地獲得其貼近真實工況的各項參數。新的孔形和附加結構設計應當和新耐高溫材料的發(fā)展結合在一起考慮。

無論如何，新的孔形還需經過更多的研究才能被實際應用，但是新的孔形會啟發(fā)研究人員更多的設計思路，為更先進的冷卻技術的出現(xiàn)打下基礎，如發(fā)散冷卻、等離子體冷卻等。同時新的孔形還可以反過來對制造技術提出更高要求，為發(fā)動機葉片制造技術的發(fā)展提供路徑，促進發(fā)動機制造水平進一步提高。