先进航空发动机及燃气轮机对涡轮叶片的冷却性能要求越来越高,外部气膜冷却是涡轮叶片冷却中非常重要的冷却方式,为了追求更高的外部冷却效果,本文研究了三种高冷却效率的新型气膜冷却结构,包括V形孔、波纹形凹槽孔和网格缝结构。本文采用实验测量和数值模拟的方法,在平板模型和叶片模型上对上述三种结构的气膜冷却特性、流阻特性以及对叶栅流动损失的影响规律展开了研究,揭示了其流动换热机理并获得了可用于工程设计的经验关联式,同时,本文还在叶片模型的不同位置综合评估了三种结构的适用性。对于V形孔,其提高气膜冷却效率的主要机理是V形沟槽的展向导流作用以及出口扩张起到的降速作用,在V形孔出口,射流法向速度显著降低,同时,在V形沟槽内射流仍然具有一定的展向速度,有利于展向扩散。在这两个因素的作用下,V形孔下游的耦合涡对更为扁平,使得气膜射流的展向覆盖范围与出口宽度相当,并且能够保持较好的贴覆性。同样受孔下游耦合涡对的影响,V形孔的换热系数在V形沟槽下游较高。与圆柱孔相比,V形孔的流动阻力更小。增大V形孔的扩张角会进一步强化出口降速与侧向导流作用,从而有利于射流覆盖;而增大主孔倾角则会削弱出口降速和侧向导流作用,不利于射流覆盖。V形孔在叶片模型的不同位置,受当地流场环境的影响,气膜流动状态与平板模型有所区别:在吸力面1位置,受法向逆压梯度的影响,射流被“压迫”的更为扁平,气膜贴覆性更好;而在压力面各位置,受法向顺压梯度的影响,射流耦合涡对的边缘显著抬升,气膜冷却效果降低。V形孔的气膜出流对叶栅损失的影响高于圆柱孔。波纹形凹槽孔是本文在横槽孔的基础上提出的新型结构,其气膜冷却效率高于横槽孔,原因是波纹槽的导流作用可以使气膜射流在不损失太多流向速度的情况下能够在槽内形成较大的展向速度,这使气膜射流在跃出凹槽后与主流掺混形成的耦合涡对为反肾形涡结构,更有利于射流展向扩散。波峰和槽深的增加以及吹风比的增大均会强化波纹槽的导流作用,从而进一步提高气膜冷却效率,但当导流作用过大时,会使相邻射流的碰撞损失增大并使射流抬升,反而不利于气膜覆盖。在波纹槽下游耦合涡对的作用下,孔间区域下游换热系数较高,吹风比增大后,孔中心线上的换热系数更高。由于波纹槽能够对射流有充分的导流,因此其流动阻力比横槽结构更小。波纹槽结构在叶片模型上的气膜冷却特性与平板模型类似,受当地不同的法向压力梯度影响,吸力面波纹槽孔的气膜冷效高于压力面各位置。波纹形凹槽孔的气膜出流对叶栅损失的影响与横槽孔相差不大。网格缝结构的气膜冷效分布接近理想二维缝结构,在展向分布的均匀性上远远高于离散孔,但研究发现其气膜冷效分布仍然存在一定的不均匀度,这是因为气膜射流在扰流柱背风区形成分离回流涡,该回流涡在缝后斜面的抬升作用下产生较高的法向分速度,与扰流柱之间的射流形成法向速度梯度,在主流压迫作用下,这样的法向速度梯度会转变为反卷耦合涡对,该耦合涡对将更多的射流集中到扰流柱下游,从而使扰流柱下游气膜冷效较高,产生展向不均匀性。扰流柱布局方式的变化没有改变这一现象,说明启决定作用的是最下游一排扰流柱。由于缝后耦合涡对的作用,换热系数也存在展向不均匀性。在叶片模型的吸力面前缘位置,网格缝结构气膜射流的分布特点与平板模型相反,原因是缝出口存在法向逆压梯度,使得主流被卷入扰流柱背风侧的低压区,阻挡了射流向扰流柱后的扩散,从而使得扰流柱下游气膜冷效较低。扰流柱叉排的网格缝结构气膜出流对叶栅损失的影响大于顺排结构。本文研究的V形孔、波纹形凹槽孔和网格缝结构提升气膜覆盖效果的方式在流动特点上可以分别总结为出口降速、出口导流和二维进气三种,其中出口强制导流作用最为有效,这在各结构的对比分析中也有体现:通过对各结构在叶片模型上的气膜特性和流阻特性的对比分析发现,波纹形凹槽孔的综合性能更好,可以适用在叶片的多个位置;V形孔可以适用在吸力面近前缘区域和压力面近尾缘区域;网格缝结构可以适当应用在压力面近前缘和中弦区位置。