隨著航空發動機熱效率和推重比的不斷提高，渦輪前溫度也隨之提高，且溫度分佈更加均勻，這使得高壓渦輪端區受到的熱負荷大大升高；端區存在複雜的二次流渦繫結構，增加了端區氣膜冷卻佈置的複雜性。
為了進一步提高階區氣膜冷卻有效性，中國科學院工程熱物理研究所研究人員在間斷縫與普通氣膜孔組合結構的研究基礎上，提出採用間斷縫與槽孔的新型組合端區氣膜冷卻結構。採用數值模擬的方法，研究了槽孔射流的流動摻混機制、受端區橫向壓力梯度以及間斷縫冷氣射流的影響機理，分析了槽孔冷氣吹風比、流向位置對端區氣膜冷卻特性的影響，並對端區平均有效性進行了量化分析、對比，加深了對端區在複雜二次流下的氣膜冷卻特性的認識。
圖1是普通氣膜孔與槽孔的端區氣膜冷卻有效性分佈雲圖，相較於普通氣膜孔，槽孔冷氣首先衝擊槽壁再出流，進而冷氣能夠貼附壁面，呈現出二維縫的氣膜冷卻特性，且隨著吹風比的增強，有效性分佈均勻、提升顯著。如圖所示，槽孔冷氣受橫向壓力梯度影響偏向葉片吸力面一側，隨著吹風比的增大，冷氣射流的動量增大，橫向壓力梯度影響減弱。間斷縫能有效削弱前緣馬蹄渦，臺階渦卷吸槽孔冷氣，槽孔上游和吸力面連線處有效覆蓋了冷氣，提高了氣膜冷卻的均勻性。
圖2和圖3給出了不同吹風比和流量位置的面積平均有效性量化值，相較於普通氣膜孔，在大吹風比下，槽孔能夠有效改善氣膜冷卻有效性，並且隨著吹風比的增大，有效效能夠持續最佳化，可用來設計提高階區氣膜冷卻效果。當槽孔佈置的遠離臺階位置（即靠近葉柵通道）時，槽孔冷氣射流遠離臺階渦影響，有效性提高了30%，說明當槽孔位置佈置合理時，氣膜冷卻有效效能夠得到進一步的提升。
研究工作獲得兩機重大專項基礎研究和國家自然科學基金重點專案的支援。相關研究成果發表在Journal of Thermal Science和International Journal of Heat and Mass Transfer上。
圖1.普通氣膜孔與槽孔氣膜冷卻有效性分佈
圖2.普通氣膜孔與槽孔的在不同吹風比下有效性量化值
圖3.槽孔在不同流向位置下有效性量化值
來源：中國科學院工程熱物理研究所
