随着涡轮进口温度的不断增加,涡轮叶片冷却技术的研究越来越受到人们的重视。涡轮的冷却技术一直是航空发动机的关键技术之一。目前,在涡轮叶片中应用较为广泛的冷却技术是气膜冷却。近二十年来,气膜冷却涡轮的流动和传热特性一直是国内外研究的热点,而在旋转工况下的研究则是一个难点,我国要设计自己的高性能航空发动机,必须大力开展有关热端部件冷却的研究,获取第一手的数据和资料,以丰富和完善我国的发动机设计体系。对气冷涡轮而言,由于冷气射流的引入,使其流场结构变得复杂。尤其是采用离散孔形式喷射冷气时,导致一种复杂的三维流场结构。射流与主流以及射流间的流动情况对涡轮气膜冷却效率、气动性能等影响较大,了解射流与主流的掺混机理有助于在气膜冷却中抑制射流对主流的穿透,减弱高温主流对叶片的直接冲刷,提高冷却效率。本课题针对叶片前缘带有冷却孔的涡轮模型,采用实验测量和数值模拟相结合的方法研究静止和旋转工况下涡轮的内部流场和传热特性,主要研究旋转、不同吹风比和动静干涉对涡轮流场及传热特性的影响。实验和数值计算所获得的数据与结论对于气冷涡轮冷却结构的设计和优化具有较大的参考应用价值。本文的主要研究内容和结论如下:1.根据实验测量工况,搭建了涡轮流场测试实验台,设计加工了实验涡轮模型,特别对旋转工况下涡轮叶片表面射流的进气方式和气源进行了设计和测试,通过实验测量,取得了比较好的结果;2.在不同的射流吹风比下,采用热线风速仪和PIV激光测速仪分别对静止和旋转两种工况下的涡轮流场进行实验测量,分析静止和旋转工况下涡轮流场和涡结构的变化特点,并研究了不同射流吹风比(M=1.5、2.0)对流场的影响。实验测量结果捕捉到射流和主流掺混的基本流场结构,射流与主流的掺混在叶片壁面附近形成反旋涡对,射流孔下游存在轴向速度亏损的尾迹区。与静止工况相比,旋转使得掺混流场的流动轨迹有沿叶片径向偏转的趋势;3.采用NUMECA软件对以上研究对象在与实验相同的工况下进行数值模拟并与PIV实验测量流场结果进行对比,验证计算模型的可靠性和准确性,并获得了实验无法测量的涡轮叶片近壁面流场、极限流线和掺混能量损失等参数;4.实验测量和定常数值计算结果表明,由于叶片吸力面前缘曲率较大,流动加速,使得射流对吸力面侧流场的影响程度及区域要明显小于压力面。旋转状态下涡轮内部流场中存在离心力、哥氏力的作用,实验测量和计算结果表明这些作用力对叶片压力面和吸力面侧射流与主流掺混流场的影响并不一样。与静止工况比较,涡轮的旋转使得叶片压力面侧掺混流场的变化比较明显,而对吸力面侧流场的影响则较弱。在旋转工况下,由于掺混流场的变化,射流与主流的掺混能量损失分布也呈现出与静止工况不同的特点;5.在3个不同的动、静叶相位对旋转涡轮进行流场实验测量以及非定常数值计算的结果发现,静叶尾迹对旋转涡轮动叶的主流和射流掺混流场存在一定影响,在涡轮压力面侧由于受到静叶尾迹的影响,射流有所“上扬”。而吸力面侧射流与孔所处的位置有关,该处受静叶尾迹的直接影响较小。从非定常计算得到不同时刻的温度场结果来看,上游静叶尾迹的作用使得压力面不同时刻的气膜冷却效率值存在一定的波动,而对吸力面的影响则相对较小;6.在定常数值计算的基础上,应用场协同理论对静止和旋转工况下涡轮的速度场和温度场进行场协同分析,比较不同工况下涡轮内部v ?? T和θ值的变化。要使涡轮在气膜冷却情况下提高叶片冷却效果和涡轮整体效率,必须尽量使涡轮内部流体速度矢量与温度梯度矢量的夹角接近90°,削弱主流和冷却射流的掺混换热以及涡轮叶片和主流流体的换热。场协同理论可用来评估气冷涡轮内部主流和冷却射流的换热特性,对涡轮传热的优化设计起指导作用。