插芯結構對旋流冷卻流動換熱特性的影響

摘要：針對用于透平葉片前緣的旋流冷卻結構，為了改善其冷氣發展空間、提高綜合冷卻性能，提出了一種布置在冷卻腔內的插芯結構。基于簡化旋流冷卻結構，采用數值模擬方法研究了插芯結構對旋流冷卻靶面換熱系數、綜合冷卻性能、流量分配、流動結構等的改善效果和作用機理。結果表明：增設插芯結構后，在射流雷諾數5 000～20 000范圍內，旋流冷卻結構的靶面面積平均努塞爾數增加了5.9%～8.3%，綜合冷效因子增加了5.2%～6.6%，吸力側努塞爾數提高了14.8%～16.6%，相鄰噴嘴間流量的最大差從18%削減到5%。插芯結構削減了上游射流在旋流腔軸心處的發展空間，抑制了旋流回流和旋流渦核的形成，降低了上游冷氣對新鮮射流的干擾，強化了旋流對壁面邊界層的削弱效果，從而有效增加了旋流結構的一致性并提高了靶面換熱系數的強度和均勻性。

關鍵詞：旋流冷卻；透平葉片；內部冷卻；努塞爾數；射流雷諾數

中圖分類號：TK474.7"文獻標志碼：A

DOI：10.7652/xjtuxb202501010"文章編號：0253-987X（2025）01-0105-11

Effect of Plug Structure on the Flow and Heat Transfer Characteristics of Swirl Cooling

HE Wei， XIAO Junfeng， GAO Song， LI Yuanyuan， YU Feilong， WU He

（Xi’an Thermal Power Research Institute Co.， Ltd.， Xi’an 710054， China）

Abstract：To optimize the coolant air development space and enhance overall cooling performance， a plug structure positioned within the cooling chamber is proposed for swirl cooling structures used at the leading edges of turbine blades. Based on a simplified swirl cooling structure， the effect and mechanism of the plug structure on the heat transfer coefficient， comprehensive cooling performance， flow distribution and flow structure of the swirl cooling target surface are investigated using the numerical simulation method. The results show that by incorporating the plug structure， within the jet Reynolds number range of 5000 to 20000， the average Nusselt number on the swirl cooling structure’s target surface increases by 5.9% to 8.3%， the overall cooling effectiveness factor rises by 5.2% to 6.6%， the Nusselt number on the suction side experiences a significant increase of 14.8% to 16.6%， and the maximum difference in flow between adjacent nozzles decreases from 18% to 5%. The plug structure reduces the development space of the upstream jets at the cooling chamber axis， thereby inhibiting the formation of swirl backflow and vortex cores. This reduction minimizes the interference of upstream coolant on fresh jets and strengthens the weakening effect of swirl on the wall boundary layer. Consequently， the plug structure effectively enhances the consistency of the swirl structure and improves the strength and uniformity of the heat transfer coefficient of the target surface.

Keywords：swirl cooling; turbine blades; internal cooling; Nusselt number; jetting Reynolds number

燃氣輪機是一種廣泛應用在電力生產、船舶動力等領域的高端工業裝備。透平葉片是實現燃氣輪機熱功轉換的關鍵部件，需要設計專門的冷卻結構以保障葉片在高溫環境中正常工作^［1-3］。前緣部位是透平葉片直接承受燃氣來流沖擊的位置，也是熱負荷最高的位置，通常布置有沖擊冷卻或旋流冷卻結構。其中，旋流冷卻結構憑借更高的冷卻效率和更均勻分布的換熱系數吸引了越來越多的研究者關注。

Kreith等^［4］在20世紀50年代末采用試驗方法研究了金屬促旋結構對光環圓管內部流動換熱特性的影響機制，發現管內旋流的徑向壓力梯度較強，旋流削弱了壁面邊界層，從而顯著提升了壁面換熱系數。Dhir^［5］將促旋結構發展為切向進口圓管，通過試驗研究發現旋流切向速度是決定旋流冷卻效果的關鍵因素，切向進口圓管相比促旋結構具有更低的流動阻力、制造成本和實用價值。Glezer等^［6］將旋流冷卻結構布置在燃氣輪機透平葉片中，通過試驗發現旋流冷卻在葉片前緣具有與沖擊冷卻相似的冷卻效果，為葉片冷卻設計開辟了新的方向。Du等^［7］研究了溫比對旋流冷卻流動換熱特性的影響，結果表明，冷氣與靶面溫度比的增加會提高旋流速度，但會降低靶面換熱系數和摩擦阻力。Fan等^［8］采用粒子圖像測速儀測量了半圓柱形旋流冷卻腔內的流動特性，結果發現，旋流渦系在腔室中由一個大尺度的渦流和一個小尺度的反旋角渦組成，核心旋渦被射流渦和壁面邊界層包裹，高速射流渦是決定旋流冷卻換熱強度的主要因素。劉釗等^［9］通過流熱耦合研究對比了透平第一級動葉前緣采用不同冷卻結構的冷卻效果，發現旋流-氣膜復合冷卻結構能夠將前緣位置的綜合冷卻效率在傳統冷卻結構的基礎上提升6%左右。杜長河等^［10］對旋流冷卻葉片在不同溫比條件下的溫度場與應力場分布進行了流固耦合模擬，結果表明，隨著溫比提升，冷氣流速與湍動能得到增強，旋流冷卻靶面的溫度與熱應力先增高后降低。王杰楓等^［11］采用數值方法研究了拔模斜度對旋流冷卻流動換熱特性的影響，研究表明，拔模斜度由－1°增大至1°時，旋流冷卻的流動阻力降低而換熱系數提高，綜合換熱因子提升了約9%。

除了針對旋流冷卻流動換熱機理的研究外，學者們也以旋流為基礎發展了一些復合冷卻形式。Kusterer等^［12-13］首先提出了雙旋流冷卻結構，通過射流孔沖擊對稱分布的兩個旋流腔，實現降低橫流影響、提升旋流冷卻效率的效果，雙旋流冷卻結構的有效性也得到了其他學者的驗證^［14-16］。周駿飛^［17］研究了氣膜-雙旋流復合冷卻結構的流動換熱特性，并總結了氣膜-雙旋流復合冷卻傳熱畢渥數關聯式。王杰楓等^［18］提出了一種將旋流與沖擊相結合的新型冷卻結構，利用沖擊射流與旋流的相互作用產生對轉渦系，從而抵抗上游的橫流影響，在保障與旋流冷卻相似的換熱系數的同時較低了流動阻力。嚴彪等^［19］將肋片布置在旋流腔和供氣腔中，通過數值研究發現旋流冷卻與靶面環肋的組合結構能夠以較小的流動損失代價改善靶面換熱系數，將綜合換熱因子提升約3.4%。馬永樂等^［20］提出了一種采用條縫噴嘴的旋流冷卻結構，通過數值研究發現條縫噴嘴旋流冷卻的靶面努塞爾數相比傳統離散噴嘴旋流冷卻低約2.1%，但有效改善了換熱系數分布均勻性，能將靶面換熱的流向不均勻度降低約70%。

目前，針對旋流冷卻的改進設計主要集中在將旋流冷卻與傳統冷卻結構進行組合上，針對旋流冷卻本身的流動特點進行優化的研究還比較少。為了保證壁厚一致，旋流冷卻腔在葉高方向上的橫截面積通常變化不大，而冷氣則是漸次遞加的，這就意味著上游冷氣的發展空間過大，容易產生旋流回流，對上游的冷氣射流產生干擾，從而導致靶面換熱系數分布不均勻、冷氣利用率低等問題。

本文提出一種用于優化旋流冷卻效果的插芯結構，系統研究了插芯旋流冷卻相對于傳統旋流冷卻在不同射流雷諾數下的流動換熱特性差異，包括靜壓系數、流量分配、流動結構、靶面努塞爾數分布等，深入分析了插芯旋流冷卻的流場結構，揭示了插芯對提升旋流冷卻靶面換熱系數分布均勻性和冷氣利用率的作用機理。

1"數值方法

1.1"結構展示及計算域設置

采用求解定常雷諾時均方程的方法對旋流冷卻、插芯旋流冷卻結構的流動換熱特性進行數值模擬對比。參照劉釗^［21］、Fan等^［22］、Zhang等^［23］的旋流冷卻葉片結構，建立了插芯旋流冷卻葉片幾何模型，如圖1所示。為了更清晰地展示插芯結構與旋流冷卻的關系，此模型僅包含基本的葉片實體、旋流冷卻和插芯結構，略去了氣膜孔、蛇形通道、尾緣劈縫等其他冷卻結構。冷氣從供氣腔進入葉片后經由射流噴嘴進入旋流腔，在旋流腔壁面與插芯壁面之間的環形空間內螺旋上升流動，完成冷卻后由出口排出。插芯結構簡單、加工精度要求低，通過現有的精密鑄造技術即可制造。插芯長度較長，完全包裹在旋流腔的冷氣中，因此溫度梯度較低，能夠長時間安全使用。錐形插芯頂部細小、根部粗壯，通過空腔鑄造加釬焊密封的方式可以加工出質量占比低、抗載荷能力強的空心插芯。綜合來看，插芯旋流冷卻的工程實用價值較強。

實際葉片冷卻效果是多重影響因子的耦合結果，包括氣膜孔布置方式、內部冷卻通道布置方式、基體材料屬性、熱障涂層屬性、葉片尺寸、運行工況等。為了研究插芯旋流冷卻的普適性流動換熱特性，對插芯旋流結構進行適當的簡化，略去了氣膜抽吸、葉型變化、旋轉等因素的影響，簡化后的計算域如圖2所示，主要包括供氣腔、射流噴嘴、旋流腔、出口段。圖2（a）展示了簡化計算域三維圖，在計算域中，冷氣經由冷氣進口進入供氣腔，經過進口延伸段后通過10個射流噴嘴進入旋流腔，其中最靠近冷氣進口的為1號孔，最靠近出口的為10號孔。射流在旋流腔中受到靶面（圖中標記為黃色）約束形成旋流并對靶面進行冷卻。冷卻空氣流出旋流腔后再經過出口段穩流，最后從出口離開計算域。圖2（b）標出了計算域的主要幾何尺寸，其具體數值見表1。其中，噴嘴長度L_jet=15mm，寬度W_jet=3mm，噴嘴水力直徑D_jet=5mm。旋流腔是利用噴嘴射流的切向動量形成旋流冷卻的圓柱形區域，其水力直徑D=40mm，長度L=300mm。出口段是為了穩定出口流動狀態的延伸段，其直徑與旋流腔相同，長度L_out=200mm。圖2（c）展示的是計算域子午截面圖，可以看到旋流冷卻與插芯旋流冷卻的計算域基本一致，區別僅在于后者的旋流腔內存在錐形插芯（剖面線對應位置即為插芯結構，僅作示意用，本文計算不包含固體域）。插芯頂端直徑D_plug1=10mm，插芯尾端直徑D_plug2=34mm。

1.2"邊界條件

為了指導后續的試驗研究，本文參照文獻［11］，按照透平葉片內部冷卻試驗條件設定了計算域的邊界條件，具體參數列于表2。模擬工質為理想空氣，冷卻空氣進口給定流量邊界條件，具體數值與噴嘴射流雷諾數相匹配。雷諾數是流體力學中用于表征流體流動狀態的重要無量綱參數，其定義為流體慣性力與黏性力之比，其計算公式如下

Re=ρvd/μ（1）

式中：ρ為流體密度；v為流體速度；μ為流體動力黏性系數；d為流動特征長度。

在表征射流流動狀態時，特征長度d按照射流噴嘴水力直徑D_jet取值，后者定義如下

D_jet=4S/C（2）

式中：S為射流噴嘴的橫截面積；C為射流噴嘴的橫截面周長。由于旋流腔內的壓力分布不均勻，不同噴嘴的雷諾數存在差異，因此本文噴嘴射流雷諾數取所有噴嘴的平均值。雷諾數設置了5000、10000、15000、20000共4組。進口湍流度為5%，進口總溫為350K，靶面溫度為500K，冷氣與壁面溫度比為0.7，與燃氣輪機實際工況一致。計算域出口靜壓設定為0.11MPa。

1.3"湍流模型驗證

努塞爾數Nu是研究內部冷卻常用的無量綱換熱系數，其定義如下所示

Nu=qwD（Tw－Tc）λ（3）

式中：qw為靶面熱流量；Tw為靶面溫度；Tc為冷氣進口總溫；λ為空氣導熱系數。

作者在之前的工作^［24］中已經對定常計算旋流冷卻結構進行了詳細的湍流模型驗證，結果如圖3所示，圖中x為旋流腔流向距離，r為旋流腔半徑。

通過對比內部冷卻結構定常數值模擬常用的4種湍流模型（k-ε、RNG k-ε、k-ω和SST k-ω）對旋流冷卻靶面換熱系數的預測能力，發現SST k-ω湍流模型與實驗值^［25］吻合程度最好，相對其他3種湍流模型在旋流冷卻計算方面具有最高的模擬精度。因此，本文采用SST k-ω湍流模型對插芯旋流結構開展數值仿真研究。

1.4"網格無關性驗證

本文采用非結構化網格對流體計算域進行剖分。近壁面第一層網格厚度設置為0.001mm，增長率為1.2，棱柱層網格（邊界層）總層數為30。經計算驗證，流體域壁面y⁺均小于1.0，符合SST k-ω湍流模型的計算要求。計算域網格及邊界層網格放大圖如圖4所示。壁面與主流區域的網格尺度保持一致，局部加密策略為按曲率（18°）和狹窄區（3層）加密，加密網格集中在噴嘴與旋流腔的連接處。通過7套不同精細程度的網格進行無關性驗證，網格數分別設置為100萬、300萬、500萬、700萬、900萬、1100萬、1400萬。采用旋流冷卻結構進行驗證，噴嘴射流雷諾數為10000，對比數據為靶面周向角180°位置沿軸向分布的努塞爾數和靶面面積平均努塞爾數。

周向角為描述旋流腔靶面周向位置的幾何參數，示意圖如圖5所示。圖中視角為沿冷氣流動方向觀察供氣腔和旋流腔的角度。在此視角下，以旋流腔靶面最高位置（y=20mm）作為周向角定義的起點（θ=0°），周向角沿逆時針方向逐漸增大，直至再次返回最高點（θ=360°）。網格無關性驗證的數據采樣位置為θ=180°（y=－20mm）處，對應的是透平葉片熱負荷最高的前緣滯止線位置。

網格無關性驗證結果如圖6所示。圖6（a）為靶面周向角180°位置處的努塞爾數對比結果，z為旋流腔流向距離，D為旋流腔直徑。可以看出，7套網格模擬得到的努塞爾數分布基本一致，在網格數較小時對上游努塞爾數Nu_tar的峰值預測過高，而且各個高換熱區位置與加密網格的預測結果相比更偏向下游一些，但整體換熱分布情況預測結果基本一致。靶面面積平均努塞爾數的對比結果如圖6（b）所示，與1400萬網格計算結果相比，100萬至1100萬網格的偏差依次為8.36%、2.78%、1.34%、0.08%、0.07%、0.01%。

綜上，為了平衡計算精度與計算資源消耗，本文選擇700萬網格進行數值模擬研究。

2"結果與分析

本研究對比了旋流冷卻與插芯旋流冷卻兩種結構，冷氣進口流量有4種，用于匹配4種噴嘴射流雷諾數Re_j（5000、10000、15000、20000），以旋流腔直徑D作為特征長度的旋流雷諾數Re則依次為1400、29000、43000、57000。下面將從綜合冷卻性能、換熱特性、流動特性等方面研究加入插芯結構對旋流冷卻的影響。

2.1"插芯結構對旋流冷卻綜合冷卻性能的影響

本節主要關注旋流冷卻與插芯旋流冷卻在靶面面積平均努塞爾數、摩擦因子和綜合冷效因子等參數上的表現，以評估插芯結構對旋流冷卻綜合冷卻性能的影響。靶面面積平均努塞爾數是用于評估內部冷卻結構換熱系數的常用參數。摩擦因子f用于評估冷卻結構所產生的流動損失，其定義如下

f=2DΔP^*ρv²L（4）

式中：ΔP^*為旋流腔內的總壓損失。

綜合冷效因子J是綜合評估冷卻結構在換熱系數增強和流動阻力提高兩個方面作用下的無量綱參數，其定義如下

J=Nu_tarNu₀ff₀^－1/3（5）

式中：Nu_tar為靶面面積平均努塞爾數；Nu₀為相同邊界條件下圓管結構充分發展段的壁面面積平均努塞爾數；f₀為相同雷諾數條件下圓管內的摩擦因子。分別定義Nu₀、f₀如下

Nu₀=0.023Re^0.8Pr^0.4（6）

f₀=0.3164Re^－1/4（7）

其中：Re為旋流腔雷諾數；Pr為冷卻空氣普朗特數。

普朗特數是表征流體中能量與動量在輸運過程中相互關系的無量綱參數，其定義如下

Pr=c_pμ/λ（8）

式中：c_p為空氣比定壓熱容。

旋流冷卻與插芯旋流冷卻在靶面面積平均努塞爾數和綜合冷效因子對比見圖7。可以看到，插芯旋流冷卻的靶面換熱強度始終高于旋流冷卻，相對后者的提高程度隨著雷諾數的增加由5.9%不斷擴大到8.3%。增設插芯結構后，旋流冷卻的綜合冷效因子也有了提高，提高幅度由射流雷諾數為5000時的5.2%不斷擴大到射流雷諾數為20000時的6.6%。

圖8中的實線為旋流冷卻或插芯旋流冷卻相對于圓管充分發展段的壁面努塞爾數之比，表征兩種旋流結構帶來的換熱增強效果；虛線則是旋流冷卻或插芯旋流冷卻相對于圓管充分發展段的摩擦因子之比，表征兩種旋流結構帶來的流動損失代價。

可以看到，隨著射流雷諾數由5000增加到20000，旋流冷卻和插芯旋流冷卻的努塞爾數之比分別提高了4.8%和7.3%，摩擦因子比分別提高了36.2%和37.9%。在所研究的雷諾數范圍內，插芯旋流冷卻的努塞爾數比相對于旋流冷卻高5.8%～8.3%，摩擦因子之比相對于旋流冷卻高3.1%～4.4%。在綜合冷效因子的定義中，努塞爾數之比的權重要高于摩擦因子之比，因此插芯旋流冷卻的優勢更加明顯。

上述數據說明，對旋流冷卻結構來說，引入插芯結構后，雖然流動阻力有小幅增加，但靶面努塞爾數得到了更大程度的加強，因此綜合冷效因子得到了提高，而且提高程度隨著射流雷諾數的增大而增加。

2.2"插芯結構對旋流冷卻換熱特性的影響

2.1節的數據已經展現了插芯結構在提高旋流冷卻靶面整體換熱強度和綜合冷效因子方面的優勢，但冷卻效果的均勻性同樣重要。作為透平葉片前緣內部冷卻結構，旋流冷卻靶面在前緣滯止線附近會承受極高的熱負荷，這就要求冷卻結構能夠在該位置提供最高的換熱系數，同時高低換熱區之間的差和梯度都盡可能地小。本節從軸向平均努塞爾數、周向平均努塞爾數和靶面努塞爾數分布等方面分析插芯結構對旋流冷卻靶面換熱特性的影響。

軸向平均努塞爾數Nu_sa對比結果如圖9所示，其中，橫坐標為周向角θ，前緣滯止線對應位置為θ=180°處，90°lt;θlt;180°范圍對應的是壓力側，180°lt;θlt;270°范圍對應的是吸力側。可以看到，旋流冷卻的射流會在噴嘴處形成極高的換熱峰值，然后在壓力側形成比較平穩均勻的換熱區域，但在θgt;180°后，努塞爾數有明顯的下降，直至旋轉一周后在噴嘴的周向上游位置（θ=65°）形成一個較小的換熱峰值，但此峰值的絕對值較低，僅比軸向平均努塞爾數最小值高12%左右。在增設插芯結構后，除壓力側外所有位置的軸向平均努塞爾數均有提升，最大提升幅度隨射流雷諾數的提高由14.8%擴大到16.6%。同時，靶面在120°lt;θlt;240°的范圍內始終保持了較高的換熱系數，說明插芯旋流冷卻解決了旋流冷卻在壓力側換熱系數高而吸力側換熱系數低的不均勻性問題。

圖10展示的是旋流冷卻與插芯旋流冷卻結構在4種射流雷諾數下的靶面周向平均努塞爾數Nu_ca，其橫坐標z/D為旋流腔軸向長度。可以看到，兩種結構的周向平均努塞爾數分布趨勢大體一致，均為換熱系數的峰值、谷值交替出現。旋流冷卻的換熱峰值隨著軸向距離的增加而呈增加趨勢。插芯旋流冷卻的換熱峰值、谷值相對旋流冷卻向下游偏移一些，其數值則整體高于旋流冷卻，另外上游的換熱系數得到了有效加強，各個峰值之間偏差較小，因此換熱峰值沿軸向距離分布更加均勻。

圖11給出了靶面努塞爾數分布云圖，這里將旋流腔靶面展開為二維圖像以方便展示，其橫坐標s/D為周向坐標，方向與圖3中周向角的定義一致。圖中空白矩形即為射流噴嘴的位置。可以發現，旋流冷卻的射流在離開噴嘴后大部分向軸向下游流動，有部分射流在軸向上向上游“逆流”發展，射流高換熱區（Nugt;180）的周向長度也缺乏明顯的規律性。相比之下，插芯旋流冷卻的射流均在離開噴嘴后均向軸向下游流動，射流產生的高換熱區的分布一致性較好。

2.3"插芯結構對旋流冷卻流動特性的影響

本節從流動特性的角度研究插芯結構對旋流冷卻靶面換熱特性的影響機理。不同射流雷諾數下的噴嘴流量（m_j）分布見圖12，橫坐標為射流孔沿流向的編號。可以看出，旋流冷卻與插芯旋流冷卻的噴嘴流量分布趨勢一致，但是旋流冷卻相鄰噴嘴間的流量差最大為18%，插芯旋流冷卻則為5%。這說明增設插芯結構能夠有效降低噴嘴的流量波動，使旋流腔靶面得到更均勻的冷卻效果。

靜壓壓力系數C_sp是用來衡量靶面壓力的無量剛參數，定義如下

C_sp=P－P_outP^*_in－P_out（9）

式中：P為靶面靜壓；P_out為旋流腔出口靜壓；P^*_in為旋流腔進口總壓。

圖13給出了旋流冷卻與插芯旋流冷卻的周向平均靜壓壓力系數。由圖可見，旋流冷卻與插芯旋流冷卻的靜壓分布曲線均存在周期性的波動，旋流冷卻的靜壓分布曲線大體呈沿流向逐漸下降的分布趨勢，但在Re_j≥10000時第1個噴嘴對應的靜壓峰值比較低。相比之下，插芯旋流冷卻的靜壓壓力系數整體比旋流冷卻高0.1左右，第1個噴嘴對應的靶面靜壓峰值相對旋流冷卻提升了80%左右，有效改善了旋流冷卻第1個噴嘴對靶面的貼附效果。

圖14展示了旋流冷卻與插芯旋流冷卻結構內部的流線分布情況。由圖14（a）可見，冷卻空氣從供氣腔經由射流噴嘴進入旋流腔后會首先在靶面環繞若干圈，上游的第1、2個射流噴嘴中的冷氣會在靶面上形成旋流回流渦核，其他射流噴嘴的冷氣在脫離靶面后也會卷入旋流渦核一并向出口流動。由圖14（b）可見，插芯結構削減了上游射流在旋流腔軸心處的發展空間，抑制了旋流回流現象和旋流渦核的形成，降低了上游冷氣對新鮮射流的干擾，從而有效提高了射流在靶面附近形成的旋流結構的一致性。

旋流腔內部的冷氣發展空間過大會降低核心區冷氣周向流速，增加旋流結構的不穩定性和摻混損失，這一點可以從圖15的旋流腔截面速度分布和圖16的旋流腔截面湍動能分布中得到體現。圖15中選取的5個截面分別為旋流腔第1、3、5、7、9個射流噴嘴的軸向中心位置。由圖15（a）可以看到，旋流冷卻在旋流腔軸心位置處存在明顯的低速渦核，這種渦核的位置和速度沿流向的發展是非常不穩定的，對冷氣射流的旋流冷卻結構形成了干涉擾動。相比之下，在圖15（b）中，通過軸向通流流量控制冷氣發展空間就可以有效抑制低速區的形成，顯著增強旋流結構的穩定性和旋流的周向速度，從而優化旋流對壁面邊界層的削弱效果，提高冷氣利用率，改善旋流冷卻在靶面換熱系數分布的均勻性。

插芯結構增強旋流結構穩定性還會降低摻混損失。從圖16所示的截面湍動能分布對比可以看出，旋流核心處的新舊冷氣相互擾動會造成顯著的高湍動能區，而增加插芯后，核心區域的流動穩定性大大增強，湍動能水平有效降低，抑制了摻混損失。不過，結合圖13中的靶面靜壓壓力系數對比可知，插芯結構提高了旋流腔內的靜壓壓力水平，而且插芯結構壁面邊界層也成了流動阻力的新的來源。對于旋流冷卻來說，流動損失是摻混損失和壁面流動損失之和。由圖8可知，插芯旋流冷卻的流動阻力比旋流冷卻提高了4%左右，這說明插芯結構本身所增加的流動阻力高于其降低的摻混損失。

3"結"論

本文針對插芯旋流冷卻進行了數值研究，詳細分析了旋流冷卻結構在增設插芯結構前后的流動與換熱特性，對比了這2種冷卻結構在4種射流雷諾數條件下的速度、流量、努塞爾數等參數，揭示了插芯結構改善旋流冷卻效果的作用機理，主要結論如下。

（1）在所研究的射流雷諾數范圍內，增設插芯結構后，旋流冷卻結構的靶面面積平均努塞爾數和綜合冷效因子分別增加了5.9%～8.3%和5.2%～6.6%，增加幅度均隨射流雷諾數的增大而增加。

（2）增加插芯結構后，旋流冷卻的摩擦因子增加了3.1%～4.4%，周向平均靜壓壓力系數提高了0.1左右，整體流動損失有所增加。

（3）插芯旋流冷卻能夠在透平葉片承受熱負荷最高的前緣滯止線附近提供均勻的冷卻效果，將吸力側努塞爾數提高14.8%～16.6%，解決了旋流冷卻在壓力側換熱系數高而吸力側換熱系數低的不均勻性問題。

（4）增設插芯結構能夠將旋流冷卻相鄰噴嘴間的流量差從18%削減到5%，有效降低噴嘴的流量波動，使旋流腔靶面在軸向上得到更均勻的冷卻效果。

（5）插芯結構削減了上游射流在旋流腔軸心處的發展空間，抑制了旋流回流現象和旋流渦核的形成，降低了上游冷氣對新鮮射流的干擾，從而有效提高了旋流結構的一致性并改善了靶面換熱系數分布的均勻性。

參考文獻：

［1］謝永慧， 王雨琦， 施東波， 等. 重型燃氣輪機透平葉片流熱固特性研究進展 ［J］. 熱力透平， 2022， 51（3）： 170-177.

XIE Yonghui， WANG Yuqi， SHI Dongbo， et al. Review on research of fluid-thermal-solid characteristics for turbine blade in heavy-duty gas turbine ［J］. Thermal Turbine， 2022， 51（3）： 170-177.

［2］趙振， 高建民， 徐亮， 等. 某型高溫渦輪葉片冷卻性能的實驗研究 ［J］. 西安交通大學學報， 2024， 58（1）： 54-67.

ZHAO Zhen， GAO Jianmin， XU Liang， et al. Experimental study on cooling performance of a high temperature turbine blade ［J］. Journal of Xi’an Jiaotong University， 2024， 58（1）： 54-67.

［3］蒲思宇. 渦輪葉片前緣旋流冷卻特性研究 ［D］. 哈爾濱： 哈爾濱工程大學， 2023.

［4］KREITH F， MARGOLIS D. Heat transfer and friction in turbulent vortex flow ［J］. Applied Scientific Research： Section A， 1959， 8（1）： 457-473.

［5］DHIR V K. Heat transfer enhancement using tangential injection： US5291943A ［P］. 1994-03-08.

［6］GLEZER B， MOON H K， O′CONNELL T. A novel technique for the internal blade cooling ［C］//ASME 1996 International Gas Turbine and Aeroengine Congress and Exhibition. New York， USA： ASME， 1996： V004T09A015.

［7］DU Changhe， LI Liang， LI Sen， et al. Effects of aerodynamic parameters on steam vortex cooling behavior for gas turbine blade leading edge ［J］. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers： Part A"Journal of Power and Energy， 2016， 230（4）： 354-365.

［8］FAN Xiaojun， HE Chuangxin， GAN Lian， et al. Experimental study of swirling flow characteristics in a semi cylinder vortex cooling configuration ［J］. Experimental Thermal and Fluid Science， 2020， 113： 110036.

［9］劉釗， 賈哲， 張志欣， 等. 透平動葉前緣沖擊-氣膜復合冷卻與旋流-氣膜復合冷卻的熱流耦合對比研究 ［J］. 西安交通大學學報， 2021， 55（4）： 116-125.

LIU Zhao， JIA Zhe， ZHANG Zhixin， et al. A comparative study on conjugate heat transfer of impingement-film composite cooling and swirl-film composite cooling on leading edge of a turbine blade ［J］. Journal of Xi’an Jiaotong University， 2021， 55（4）： 116-125.

［10］杜長河， 高銀峰， 李洪偉， 等. 不同冷氣/燃氣溫比下高溫渦輪葉片旋流冷卻流固耦合特性研究 ［J］. 熱能動力工程， 2023， 38（8）： 27-33.

DU Changhe， GAO Yinfeng， LI Hongwei， et al. Study on fluid-structure coupling characteristics of gas turbine blade swirl cooling under different coolant-gas temperature ratios ［J］. Journal of Engineering for Thermal Energy and Power， 2023， 38（8）： 27-33.

［11］王杰楓， 杜長河， 吳凡， 等. 噴嘴周向位置和旋流腔拔模斜度對旋流冷卻的影響 ［J］. 西安交通大學學報， 2018， 52（11）： 65-72.

WANG Jiefeng， DU Changhe， WU Fan， et al. Effects of jet nozzle circumferential position and vortex chamber draft angle on the flow and heat transfer characteristics of vortex cooling ［J］. Journal of Xi’an Jiaotong University，2018， 52（11）： 65-72.

［12］KUSTERER K， LIN Gang， BOHN D， et al. Heat transfer enhancement for gas turbine internal cooling by application of double swirl cooling chambers ［C］//ASME Turbo Expo 2013： Turbine Technical Conference and Exposition. New York， USA： ASME， 2013： V03AT12A027.

［13］KUSTERER K， LIN Gang， BOHN D， et al. Leading edge cooling of a gas turbine blade with double swirl chambers ［C］//ASME Turbo Expo 2014： Turbine Technical Conference and Exposition. New York， USA： ASME， 2014： V05AT12A024.

［14］ZHOU Junfei， WANG Xinjun， LI Jun， et al. Effects of impinging hole shapes on double swirl cooling performance at gas turbine blade leading edge ［C］//ASME Turbo Expo 2018： Turbomachinery Technical Conference and Exposition. New York， USA： ASME， 2018： V05AT11A003.

［15］ZHOU Junfei， WANG Xinjun， LI Jun， et al. Effects of target channel shapes on double swirl cooling performance at gas turbine blade leading edge ［J］. Journal of Engineering for Gas Turbines and Power， 2019， 141（7）： 071004.

［16］何娟， 鄧清華， 高鐵瑜， 等. 周向角和直徑比對切向雙旋流冷卻流動與傳熱特性的作用機理 ［J］. 西安交通大學學報， 2020， 54（9）： 89-99.

HE Juan， DENG Qinghua， GAO Tieyu， et al. Effects of circumferential angle and diameter ratio on the flow and heat transfer characteristics of double swirl cooling ［J］. Journal of Xi’an Jiaotong University， 2020， 54（9）： 89-99.

［17］周駿飛. 燃機透平葉片前緣雙旋流沖擊冷卻流動與換熱特性的數值研究 ［D］. 西安： 西安交通大學， 2017.

［18］王杰楓， 欒宇軒， 杜長河， 等. 一種新型組合內部冷卻的流動和換熱特性研究 ［J］. 西安交通大學學報， 2018， 52（5）： 108-115.

WANG Jiefeng， LUAN Yuxuan， DU Changhe， et al. Investigation on the flow and heat transfer behavior of a new composite internal cooling model ［J］. Journal of Xi’an Jiaotong University，2018， 52（5）： 108-115.

［19］嚴彪， 朱華， 劉雨松， 等. 渦輪葉片中旋流冷卻的肋片對流動換熱的影響 ［J］. 航空動力學報， 2023， 38（11）： 2729-2737.

YAN Biao， ZHU Hua， LIU Yusong， et al. Effects of finned structure on flow and heat transfer characteristics in vortex cooling of turbine blade ［J］. Journal of Aerospace Power，2023， 38（11）： 2729-2737.

［20］馬永樂， 成克用， 淮秀蘭. 條縫噴嘴幾何結構對旋流冷卻特性的影響 ［J］. 航空動力學報， 2024， 39（1）： 40-48.

MA Yongle， CHENG Keyong， HUAI Xiulan. Effects of slot nozzle geometry on the cooling characteristics of swirl flow ［J］. Journal of Aerospace Power， 2024， 39（1）： 40-48.

［21］劉釗. 燃氣輪機透平葉片前緣內部冷卻的數值模擬 ［D］. 西安： 西安交通大學， 2012.

［22］FAN Xiaojun， LI Liang， ZOU Jiasheng， et al. Local heat transfer of vortex cooling with multiple tangential nozzles in a gas turbine blade leading edge cooling passage ［J］. International Journal of Heat and Mass Transfer， 2018， 126， Part B： 377-389.

［23］ZHANG Luzeng， YIN Juan， MOON H K. Airfoil for turbomachine and airfoil cooling method：US 2017/0248022 A1［P］. 2017-08-31.

［24］HE Wei， DENG Qinghua， HE Juan， et al. Effects of jetting orifice geometry parameters and channel Reynolds number on bended channel cooling for a novel internal cooling structure ［C］//ASME Turbo Expo 2019： Turbomachinery Technical Conference and Exposition. New York， USA： ASME，2019： V05AT11A005.

［25］LING J P C W， IRELAND P T， HARVEY N W. Measurement of heat transfer coefficient distributions and flow field in a model of a turbine blade cooling passage with tangential injection ［C］//ASME Turbo Expo 2006： Power for Land， Sea， and Air. New York， USA： ASME， 2006： 325-340.

（編輯"亢列梅）