气膜冷却基本原理是：从高温环境的壁面上的孔向主流引入二次气流（冷却工质或射流），这股冷气流在主流的压力和摩擦力作用下向下游弯曲，附着在壁面一定区域上，形成温度较低的冷气膜将壁面同高温燃气隔离，并带走部分高温燃气，从而对壁面起到良好的冷却保护作用。

燃气轮机气膜冷却燃气轮机是以连续流动的燃气为工质带动叶轮高速旋转，将燃料化学能转化为有用功的内燃式动力机械。由于具有热效率高、污染低、工程总投资少、启停灵活和自动化程度高的优点，燃气轮机正逐渐成为动力供给的主要装置，在缓解电力紧张，保证动力可靠性和实现清洁生产方面发挥着越来越大的作用。燃气轮机在航空、发电、冶金、化工、船舶、军事、能源与动力工程等领域的广泛应用主要得益于热效率的持续提高，进口压比和工质温度的增加是实现这一提高的主要措施。工业燃气轮机的进口工质温度已可达到1370 ~1500℃ ，军用燃气轮机的进口工质温度则超过1900 ℃。然而碳氢燃料的理论燃烧温度可以达到2200℃。可见，仍有部分潜能未能利用，这主要是由于燃气轮机部件材料熔点远低于燃烧温度。因此，在开发出理想材料之前燃气轮机高性能的获得必须配套以一定的保护措施。气膜冷却即是为此而采取的一项通流部件冷却保护技术，实施时，冷却介质从被冷却部件表面的一排或几排小孔流出，与主流交错后，在欲保护部件表面形成一层冷却性换热气膜。

气膜冷却技术的实质是一种不等温流体间的交叉射流,冷却流与热主流相互作用形成流场内的多种结构。类似结构的形成和发展是决定气膜冷却效果的主要因素，也是人们一直以来致力于研究、掌握并尝试控制、利用的关键。气膜冷却最初源自机冀的喷气解冻技术，此时是一种二维狭缝射流，但基于燃气轮机叶片的结构不宜采用狭缝形式，小孔射流成为首选，因此在20世纪60年代，随着燃气轮机进口工质温度的射流边缘提高，气膜冷却的技术原型开始出现。同时，研究人员也开始关注该技术，并就其结构特性和流场参数的影响做了细致的研究，鉴于平板在加工上的便利以及平板实验结果与叶轮机械原型测试之间的可借鉴性，一般研究均利用平板进行。1

复合冲击气膜冷却冲击冷却和气膜冷却之间的联系就是冲击后的内部流体是以怎样的方式进入气膜孔的，因此从一开始就影响了气膜冷却的发展。另一种手段是借助设计来利用冲击冷却以谨慎地在气流进人气膜孔前降低冷气压力，进而降低气膜吹风比到可获得更佳性能的范围内。冲击通常并不直接与外部气膜冷却结构相关联，然而最近的许多研究已经进行了各种形式浅沟槽的气膜效率研究。结果已经改变，但是却给出了积极的结论，即其性能至少与扩张孔相当。2

气膜冷却叶片冷却空气通过叶片壁上按一定方式分布的孔(或缝)流出而在燃气和叶型壁画之间形成一层低温隔热气膜，以减少燃气对叶片传热的冷却叶片。气膜冷却传热的物理现象非常复杂，实际上气膜冷却叶片的冷却效果是对流冷却与气膜冷却综合作用的结果。影响因素除对流冷却叶片的影响因素以外，主要还同气膜扎(槽)的分布和几何尺寸以及主燃气流对冷气射流的密流比(吹风比)有关。由于气膜冷却可以有效地降低叶片金属的峰值温度和温度涕度，所以主要用在叶片的前缘、后缘和其他温度较高的部位。合理的气膜冷却设计可以在局部形成连续的全敷气膜、在整个叶片表面形成全敷气膜的叶片称为全气眼冷却叶片。通常气眼冷却叶片要比对流冷却叶片的冷却效果好。3

气膜冷却的影响Nirmalan和Hylton(1990)在气动热力学叶栅中对一种透平静叶进行了气膜冷却影响的研究。试验参数与实际发动机的相同。试验叶栅由3个叶片组成，该静叶片有一个内部冲击管，冷却工质通过它进入叶片中心然后冲击外壁的内表面。冷却工质从分布于叶片不同位置的离散气膜孔排喷出。他们使用叠加方法来测量气膜冷却的传热特性。Nirmalan和Hylton研究了各种参数的影响，例如马赫数、雷诺数、湍流度、冷却工质与燃气的温比及压比。气动热力学叶栅设备由以下部件组成：燃烧器、收缩段、配备有仪表和光学接口的自由流段、配备有仪表的试验段、可以进行背压调节的减温区和排气系统。气膜冷却的几何结构由分布在叶片前缘、吸力面和压力面上的孔阵列所围成。叶片前缘有5排间距相同的喷头，中间的那排位于空气动力学的滞止点位置。在吸力面和压力面下游分别布置2排。孔的排列使用错列形式，即第2排的每个孔正好位于第1排两个相邻孔的中间。

当出口马赫数为0.9，出口雷诺数为2.0X106时，试验结果用斯坦顿数降低系数(SNR)表示，主要是为了显示无气膜冷却传热和气膜冷却传热特性的区别。SNR大于或小于0分别表示气膜冷却叶片传热强度比无气膜冷却叶片的减少或增加。在这种情况下，只在下游区域喷气。在叶片前缘的喷头区中没有气膜冷却。在气膜冷却条件下，压力面和吸力面上SNR都是正值。然而，喷气强度的影响只在压力面上才明显。随着喷气强度的增加，在压力面下游远处喷气的影响增加。喷气对吸力面影响不大的原因在于吸力面气膜冷却气流在压比为1.02~1.61的范围被阻塞，这就使喷气的效果不再变化。在吸力面上，高的掺冷比Tc/Tg=0.85和低的掺冷比Tc/Tg=0.65这两种情况下的喷气强度的效果是一样的。但是喷气强度对压力面的影响恰恰相反，因为SNR的值在孔排的下游即受到影响。SNR在两个表面上的值都比较低。4

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刘军 - 副研究员 - 中国科学院工程热物理研究所