Огляд сучасного стану проблеми плівкового охолодження лопаток газових турбін

Автор(и)

  • Олег Шевчук АТ «Запорізьке машинобудівне конструкторське бюро «Прогрес» імені академіка О. Г. Івченкa, Україна https://orcid.org/0000-0003-1837-6287
  • Олександр Тарасов Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут», Україна https://orcid.org/0000-0002-5952-3258

DOI:

https://doi.org/10.20998/2078-774X.2025.01.03

Анотація

Створення й розвиток газотурбінних двигунів іде шляхом підвищення ККД вузлів і параметрів циклу, зокрема підвищення температури газу на вході в турбіну. Високі температури газу вимагають впровадження в конструкцію охолоджуваних деталей і вузлів турбіни. В першу чергу це стосується соплових і робочих лопаток газових турбін, сучасні зразки яких працюють при надвисоких температурах газу, а саме до 2000 К і вище. Для забезпечення надійної роботи лопаток поряд з конвективним (внутрішнім) охолодженням застосовується плівкове (зовнішнє або загороджувальне) охолодження, яке полягає у випуску охолоджувача на поверхні лопатки, що захищаються, з метою відтискування від них гарячого газу. Робочі лопатки з плівковим охолодженням почали свій розвиток у 1970-х роках, але є актуальними і в наш час, маючи місце в новітніх системах охолодження  як, наприклад, лопатки з подвійною стінкою, або лопатки, що можуть бути вироблені за допомогою технологій 3D друку. На ефективність плівкового охолодження впливає ряд факторів, таких як розташування отворів перфорації щодо газового потоку (кути нахилу вісі отвору до стінки і до напрямку основного потоку), форма й щільність отворів перфорації плівкового охолодження, число рядів і відстань між рядами отворів, відносна довжина отворів, кривизна й шорсткість поверхні, наявність теплозахисного покриття, а також параметр вдуву отвору плівкового охолодження. Підвищення ефективності систем плівкового охолодження не тільки підвищує ресурс лопатки, але і зменшує відбори охолоджуючого повітря із-за компресора ГТД, що покращує характеристики двигуна. В області плівкового охолодження проведено великий обсяг робіт. В даній оглядовій публікації були розглянуті переважно найновіші (2020 – 2025 роки) статті, що стосуються систем плівкового охолодження лопаток газових турбін. Метою даної роботи є аналіз сучасних тенденцій в області плівкового охолодження: перспективні типи систем плівкового охолодження лопаток, вплив геометричних і режимних параметрів на ефективність охолодження, проблеми що вирішуються при проектуванні і розрахунку плівкового охолодження.

Посилання

Unnikrishnan, U., Yang, V. (2022), “A review of cooling technologies for high temperature rotating components in gas turbine”, Propulsion and Power Research, vol. 11, is. 3, pp. 293–310, https://doi.org/10.1016/j.jppr.2022.07.001.

Goldstein, R. J. (1971), “Film Cooling”, Advances in Heat Transfer, vol. 7, pp. 321–379, https://doi.org/10.1016/s0065-2717(08)70020-0.

Goldstein R. J., Eckert E. R. G., Burggraf F. (1974), “Ef-fects of hole geometry and density on three-dimensional film cooling”, International Journal of Heat and Mass Transfer, vol. 17, is. 5, pp. 595–607, https://doi.org/10.1016/0017-9310(74)90007-6.

Bunker R. S. (2005), “A Review of Shaped Hole Turbine Film-Cooling Technology”, ASME Journal of Heat and Mass Transfer, vol. 127, is. 4, pp. 441–453, https://doi.org/10.1115/1.1860562.

Bunker, R. S. (2010), “Film Cooling: Breaking the Limits of Diffusion Shaped Holes”, Heat Transfer Research, vol. 41, is. 6, pp. 627–650, https://doi.org/10.1615/heattransres.v41.i6.40.

Ligrani P. M., Ciriello S., Bishop D. T. (1992), “Heat Transfer, Adiabatic Effectiveness, and Injectant Distribu-tions Downstream of a Single Row and Two Staggered Rows of Compound Angle Film-Cooling Holes”, The American Society of Mechanical Engineers: Journal of Turbomachinery, vol. 114, no. 4, pp. 687–700, https://doi.org/10.1115/1.2928021.

Ligrani P. M., Wigle J. M., Jackson S. W. (1994), “Film-Cooling From Holes With Compound Angle Orientations: Part 2–Results Downstream of a Single Row of Holes With 6d Spanwise Spacing”, ASME Journal of Heat and Mass Transfer, vol. 116, no. 2, pp. 353–362, https://doi.org/10.1115/1.2911407.

Colban, W., Gratton A., Thole K. A., Haendler M. (2005), “Heat Transfer and Film-Cooling Measurements on a Sta-tor Vane With Fan-Shaped Cooling Holes”, Journal of Turbomachinery, vol. 128, no. 1, pp. 53–61, https://doi.org/10.1115/1.2098789.

Colban W. F., Thole K. A., Bogard D. (2011), “A Film-Cooling Correlation for Shaped Holes on a Flat-Plate Sur-face”, Journal of Turbomachinery, vol. 133, no. 1, https://doi.org/10.1115/1.4002064.

Bogard D. G., Thole K. A. (2006), “Gas Turbine Film Cooling”, Journal of Propulsion and Power, vol. 22, no. 2, pp. 249–270, https://doi.org/10.2514/1.18034.

Baldauf, S., Scheurlen M., Schulz A., Wittig S. (2002), “Correlation of Film-Cooling Effectiveness From Thermo-graphic Measurements at Enginelike Conditions”, Journal of Turbomachinery, vol. 124, no. 4, pp. 686–698, https://doi.org/10.1115/1.1504443.

Lutum, E., von Wolfersdorf J., Semmler K., Naik S., Weigand B. (2001), “Film cooling on a convex surface: in-fluence of external pressure gradient and Mach number on film cooling performance”, Heat and Mass Transfer, vol. 38, no. 1–2, pp. 7–16, https://doi.org/10.1007/s002310000149.

Khalatov A., Borisov I., Dashevskiy Yu., Reznik S., (2016), “Teploobmen i gidrodinamika v polyah cen-trobezhnyh massovyh sil [Heat transfer and hydrodynam-ics in centrifugal fields]”, Vol. 10. Perspektivnye shemy plenochnogo ohlazhdeniya [Vol. 10. Advanced film cool-ing schemes], Kiev, Ukraine.

Acharya S., Kanani Y. (2017), “Chapter Three – Advances in Film Cooling Heat Transfer”, Advances in Heat Trans-fer, vol. 49, pp. 91–156, https://doi.org/10.1016/bs.aiht.2017.10.001.

Yang F., Taslim M. E. (2022), “Experimental and Numeri-cal Studies of the Film Cooling Effectiveness Downstream of a Curved Diffusion Film Cooling Hole”, International Journal of Rotating Machinery, vol. 2022, is. 1, pp. 1–14, https://doi.org/10.1155/2022/9913692.

Okita Y., Ideta T., Fujimoto S. (2020), “Multi-Objective Shape Optimization of Arrowhead-Shaped Film Cooling Hole on Transonic Turbine Blade”, ASME Turbo Expo 2020: Turbomachinery Technical Conference and Exposi-tion, Virtual, Online, 21–25 September 2020, Paper No. GT2020-14721, https://doi.org/10.1115/gt2020-14721.

Odemondo V., Abba L., Abram R. (2020), “Implementa-tion of Wide Diffusion Angle V-Shaped Holes for Gas Turbine Cooling: Design Phase and Numerical Simula-tion”, ASME Turbo Expo 2020: Turbomachinery Technical Conference and Exposition, Virtual, Online, 21–25 Sep-tember 2020, Paper No: GT2020-15171, https://doi.org/10.1115/gt2020-15171.

Hossain M. A., Ameri A., Gregory J. W., Bons J. P. (2020), “Experimental Investigation of Innovative Cooling Schemes on an Additively Manufactured Engine Scale Turbine Nozzle Guide Vane”, ASME Turbo Expo 2020: Turbomachinery Technical Conference and Exposition, Virtual, Online, 21–25 September 2020, Paper No. GT2020-15707, https://doi.org/10.1115/gt2020-15707.

Gutierrez D., Yoon C., Furgeson M. T., Veley E. M., Bo-gard D. G., Thole K. A. (2022), “Evaluation of Adjoint Optimized Holes - Part I Baseline Performance”, ASME Turbo Expo 2022: Turbomachinery Technical Conference and Exposition, Rotterdam, Netherlands, 13–17 June 2022, Paper No. GT2022-83436, https://doi.org/10.1115/gt2022-83436.

Yoon C., Gutierrez D., Furgeson M. T., Bogard D. G. (2022), “Evaluation of Adjoint Optimized Hole - Part II: Parameter Effects on Performance”, ASME Turbo Expo 2022: Turbomachinery Technical Conference and Exposi-tion, Rotterdam, Netherlands, 13–17 June 2022, Paper No. GT2022-82726, 13 p., https://doi.org/10.1115/gt2022-82726.

Yoon C., Flachs E. M., Ellinger M. R., Bogard D. G. (2023), “Overall Cooling Effectiveness with Internal Ser-pentine Channels and Optimized Film Cooling Holes”, ASME Turbo Expo 2023: Turbomachinery Technical Con-ference and Exposition, Boston, Massachusetts, USA, 26–30 June 2023, Paper No. GT2023-104171, 10 p., https://doi.org/10.1115/gt2023-104171.

Montomoli F., Rees T. W., Furino S., Tomlin R. (2025), “Fluid Topology Optimization of Film Cooling: a Design Exploration”, Proceedings of the 16th European Tur-bomachinery Conference (ETC16): Turbomachinery, Fluid Dynamics and Thermodynamics, March 24–28, 2025, Hannover, Germany, ETC2025-293, https://doi.org/10.29008/ETC2025-293.

Castelli N., Picchi A., Facchini B., Winchler L., Morante F. (2024), “Optimization of a Novel Design-For-Additive-Manufacturing Film Cooling Hole”, ASME Turbo Expo 2024: Turbomachinery Technical Conference and Exposi-tion, London, United Kingdom, 24–28 June 2024, Paper No. GT2024-128010, 13 p., https://doi.org/10.1115/gt2024-128010.

Banko A. J., Benson M. J., Davidson F. T., Zia W., Bordbar A., Boyce C., Veley E. M., Thole K. A. (2023), “Effects of Surface Roughness on Three-Dimensional Flow Structure Within Shaped Film Cooling Holes”, ASME Turbo Expo 2023: Turbomachinery Technical Conference and Exposition, Boston, Massachusetts, USA, 26–30 June 2023, Paper No. GT2023-104073, 12 p., https://doi.org/10.1115/gt2023-104073.

Zamiri A., You S. J., Chung J. T. (2020), “Numerical Evaluation of Surface Roughness Effects on Film-Cooling Performance in a Laidback Fan-Shaped Hole”, ASME Tur-bo Expo 2020: Turbomachinery Technical Conference and Exposition, Virtual, Online, 21–25 September 2020, Paper No. GT2020-14525, 9 p., https://doi.org/10.1115/gt2020-14525.

Danylov M., Donyk T. (2023), “The Effect of Blocking the Cooling Air Vents on the Efficiency of Film Cooling”, Bulletin of NTU “KhPI”. Series: Power and heat engineer-ing processes and equipment, no. 4(16), pp. 45–50, ISSN 2078-774X (print), ISSN 2707-7543 (on-line), https://doi.org/10.20998/2078-774x.2023.04.06.

Wang F.-q., Pu J., Wang J.-h., Xia W.-d. (2020), “Numeri-cal Investigation of Effects of Blockage, Inclination Angle and Hole-Size on Film Cooling Effectiveness at Concave Surface”, ASME Turbo Expo 2020: Turbomachinery Tech-nical Conference and Exposition, Virtual, Online, 21–25 September 2020, Paper No. GT2020-15182, 14 p., https://doi.org/10.1115/gt2020-15182.

Balaji S., Yang F., Taslim M. E. (2020), “A comperative experimental study between the film effectiveness of trench and diffusion film holes”, International Journal of Thermal Sciences, vol. 161, no. 106713, https://doi.org/10.1016/j.ijthermalsci.2020.106713.

Shi B., Li X., Ren J. (2021), “Adiabatic effectiveness and heat transfer measurements of simple and trenched cylin-drical holes with backward injection”, International Jour-nal of Thermal Sciences, vol. 170, no. 107086, https://doi.org/10.1016/j.ijthermalsci.2021.107086.

Huang K.-n., Zhang J.-z., Wang C.-h., Tan X.-m. (2021), “Film cooling characteristics of serrated trenched-hole on curved surfaces”, International Journal of Thermal Sci-ences, vol. 164, no. 106919, https://doi.org/10.1016/j.ijthermalsci.2021.106919.

Bahambari A. B., Kayhani M. H., Norouzi M. (2021), “On the effect of geometry of w-wave trenches on film cooling performance of gas turbine blades”, Proceedings of the In-stitution of Mechanical Engineers, Part A: Journal of Pow-er and Energy, vol. 235, is. 7, no. 095765092110082, https://doi.org/10.1177/09576509211008277.

Zhang R., Zhou L., Xing J., Luo C., Du X. (2021), “Nu-merical evaluation of film cooling performance of trans-verse trenched holes with shaped lips”, International Communications in Heat and Mass Transfer, vol. 125, no. 105326, https://doi.org/10.1016/j.icheatmasstransfer.2021.105326.

Barigozzi G., Zamiri A., Brumana G., Franchina N., Chung J. T. (2025), “On the Impact of Reynolds Number on the Performance of a Trenched Shaped Hole”, Proceedings of the 16th European Turbomachinery Conference (ETC16): Turbomachinery, Fluid Dynamics and Thermodynamics, March 24–28, 2025, Hannover, Germany, ETC2025-107, https://doi.org/10.29008/ETC2025-107.

Zhou W.-l., Pu J., Zhang T., Wang J.-h., Wu W.-l., Su H. (2022), “Wall Curvature Effect on Overall Thermal Per-formances of Film Cooling Covered by Thermal Barrier Coatings with Various Geometries”, ASME Turbo Expo 2022: Turbomachinery Technical Conference and Exposi-tion, Rotterdam, Netherlands, 13–17 June 2022, Paper No. GT2022-82796, 14 p., https://doi.org/10.1115/gt2022-82796.

Fischer L., James D., Jeyaseelan S., Pfitzner M. (2023), “Optimizing the trench shaped film cooling design”, Inter-national Journal of Heat and Mass Transfer, vol. 214, no. 124399, https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2023.124399.

Khalatov A. A., Borisov I. I., Dashevskiy Yu. Ya., Ko-valenko A. S., Shevtsov S. V. (2013), “Flat plate film cooling from a single-row inclined holes embedded in a trench: effect of external turbulence and flow accelera-tion”, Thermophysics and Aeromechanics, vol. 20, no. 6, pp. 713–719, https://doi.org/10.1134/s0869864313060085.

Khalatov A. A., Panchenko N. A., Severin S. D. (2017), “Numerical simulation of a flat plate film cooling with a coolant supply into different shape indentations”, Ther-mophysics and Aeromechanics, vol. 24, no. 5, pp. 731–737, https://doi.org/10.1134/s0869864317050080.

Khalatov A. A., Panchenko N. A., Borisov I. I., Severina V. V. (2017), “Numerical Simulation of Film Cooling with a Coolant Supplied Through Holes in a Trench”, Journal of Engineering Physics and Thermophysics, vol. 90, no. 3, pp. 637–643, https://doi.org/10.1007/s10891-017-1610-1.

Khalatov A., Shi-Ju E., Wang D., Borisov I. (2020), “Film cooling evaluation of a single array of triangular craters”, International Journal of Heat and Mass Transfer, vol. 159, no. 120055, https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2020.120055.

Hussain S., Yan X. (2020), “Implementation of Hole-Pair in Ramp to Improve Film Cooling Effectiveness on a Plain Surface”, ASME Turbo Expo 2020: Turbomachinery Tech-nical Conference and Exposition, Virtual, Online, 21–25 September 2020, Paper No. GT2020-14838, 12 p., https://doi.org/10.1115/gt2020-14838.

Pyo Y., Broumand M., Son J., Richer P., Jodoin B., Hong Z. (2024), “Enhanced Adiabatic Film Cooling Effective-ness by Varying Compound Angle”, ASME Turbo Expo 2024: Turbomachinery Technical Conference and Exposi-tion, London, United Kingdom, 24–28 June 2024, Paper No. GT2024-122413, 10 p., https://doi.org/10.1115/gt2024-122413.

Tracy K., Lynch S. P. (2020), “Large Eddy Simulation of the 7-7-7 Shaped Film Cooling Hole at Axial and Com-pound Angle Orientations”, ASME Turbo Expo 2020: Tur-bomachinery Technical Conference and Exposition, Virtu-al, Online, 21–25 September 2020, Paper No. GT2020-14439, 13 p., https://doi.org/10.1115/gt2020-14439.

Tamang S., Kwon H., Choi J., Ligrani P., Lee J.-H., Jung Y.-G., Park H. (2020), “Numerical investigation of adia-batic film cooling effectiveness through compound angle variations”, Numerical Heat Transfer, Part A: Applications, vol. 78, is. 10, pp. 595–618, https://doi.org/10.1080/10407782.2020.1803600.

Zhang T., Pu J., Xu S., Wang J.-h., Wu W.-l., Wang F.-q. (2021), “Experimental study of transverse trench effect on unsteady film cooling effectiveness of backward cylindri-cal-holes with various compound angles”, International Journal of Thermal Sciences, vol. 159, no. 106563, https://doi.org/10.1016/j.ijthermalsci.2020.106563.

Wang J., Liu C., Zhao Z., Baleta J., Sundén B. (2020), “Effect and optimization of backward hole parameters on film cooling performance by Taguchi method”, Energy Conversion and Management, vol. 214, no. 112809, https://doi.org/10.1016/j.enconman.2020.112809.

Cho H. H., Jung E. Y., Park J. S., Park S. (2013), “Effect of Forward and Backward Injections on Film Cooling Ef-fectiveness”, XXI International Symposium on Air Breath-ing Engines (ISABE-2013), Busan, Korea, 9-13 September 2013. ISABE-2013-1223, Vol. 1, pp. 577–584, ISBN: 978-1-62993-286-6, Access mode: https://www.proceedings.com/content/020/020037webtoc.pdf pdf (accessed 20 April 2025).

Park S., Jung E. Y., Kim S. H., Sohn H.-S., Cho H. H. (2015), “Enhancement of Film Cooling Effectiveness Us-ing Backward Injection Holes”, ASME Turbo Expo 2015: Turbine Technical Conference and Exposition, Montreal, Quebec, Canada, 15–19 June 2015, Paper No. GT2015-43853, 9 p., https://doi.org/10.1115/gt2015-43853.

Sellers J. P. (1963), “Gaseous Film Cooling with Multiple Injection Stations”, AIAA Journal, vol. 1, no. 9, pp. 2154–2156, https://doi.org/10.2514/3.2014.

Chen Z., Li Y., Su X., Yuan X. (2020), “Accuracy As-sessment of the Sellers Model in Predicting the Multi-Row Film Cooling Performance”, ASME Turbo Expo 2020: Turbomachinery Technical Conference and Exposition, Virtual, Online, 21–25 September 2020, Paper No. GT2020-14323, 14 p., https://doi.org/10.1115/gt2020-14323.

Fuqua M. N., Rutledge J. L. (2020), “Film Cooling Super-position Theory for Multiple Rows of Cooling Holes With Multiple Coolant Temperatures”, ASME Turbo Expo 2020: Turbomachinery Technical Conference and Exposition, Virtual, Online, 21–25 September 2020, Paper No. GT2020-15252, 12 p., https://doi.org/10.1115/gt2020-15252.

Ellinger M. E., Flachs E. M., Kulkarni A. N., Bogard D. G. (2024), “Evaluations of Superposition Predictions of Adi-abatic and Overall Effectiveness for Three Rows of Film Cooling Holes With Differing Hole Geometries”, ASME Turbo Expo 2024: Turbomachinery Technical Conference and Exposition, London, United Kingdom, 24–28 June 2024, Paper No. GT2024-128105, 12 p., https://doi.org/10.1115/gt2024-128105.

Wambersie A., Ireland P. T. (2023), “Transpiration Cool-ing Film Effectiveness Correlations for Turbine Blade Ap-plications”, Proceedings of the 15th European Conference on Turbomachinery Fluid dynamics & Thermodynamics, ETC15, April 24–28, 2023, Budapest, Hungary, ETC2023-295, https://doi.org/10.29008/ETC2023-295.

Wambersie A., Ireland P. T. (2023), “Parametric experi-mental study on high porosity film cooling features on turbine blade geometries”, Proceedings of the 15th Euro-pean Conference on Turbomachinery Fluid dynamics & Thermodynamics, ETC15, April 24–28, 2023, Budapest, Hungary, ETC2023-297, https://doi.org/10.29008/etc2023-297.

Wambersie A., Ireland P. T. (2023), “Study of interactions between closely packed films used in novel high porosity turbine blade cooling designs”, Proceedings of the 15th European Conference on Turbomachinery Fluid dynamics & Thermodynamics, ETC15, April 24–28, 2023, Budapest, Hungary, ETC2023-298, https://doi.org/10.29008/etc2023-298.

Chang Y.-C., Huang S.-C., Huang C.-Y., Liu Y.-H. (2023), “Effects of Leading Edge Shape on Effusion Film Cool-ing” ASME Turbo Expo 2023: Turbomachinery Technical Conference and Exposition, Boston, Massachusetts, USA, 26–30 June 2023, Paper No. GT2023-102861, 9 p., DOI: https://doi.org/10.1115/gt2023-102861.

Xu L., Sun Z., Ruan Q., Xi L., Gao J., Li Y. (2023), “De-velopment Trend of Cooling Technology for Turbine Blades at Super-High Temperature of above 2000 K”, En-ergies, vol. 16, no. 2, pp. 668, https://doi.org/10.3390/en16020668.

Courtis M., Skamniotis C., Cocks A., Ireland P. (2022), “Coupled aerothermal-mechanical analysis in single crys-tal double wall transpiration cooled gas turbine blades with a large film hole density”, Applied Thermal Engineering, vol. 219, part A, no. 119329, https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2022.119329.

Rowbury D. A., Oldfield M. L. G., Lock G. D. (2001), “A Method for Correlating the Influence of External Cross-flow on the Discharge Coefficients of Film Cooling Holes”, Journal of Turbomachinery, vol. 123, no. 2, pp. 258–265, https://doi.org/10.1115/1.1354137.

Kainz M., Britz V., Du Toit B., Morales J. C. (2024), “Ef-ficient Modelling of Blade Cooling Using a Hybrid 1D-3D Approach”, ASME Turbo Expo 2024: Turbomachinery Technical Conference and Exposition, London, United Kingdom, 24–28 June 2024, Paper No. GT2024-123956, 15 p., https://doi.org/10.1115/gt2024-123956.

##submission.downloads##

Опубліковано

2025-12-30

Номер

Розділ

Енергетичні та теплотехнічні процеси й устаткування