透平前進(jìn)口溫度是影響燃?xì)廨啓C(jī)熱效率的重要因素。隨著燃機(jī)技術(shù)發(fā)展，這一溫度已超過高溫葉片的耐溫極限，需要更高效的冷卻技術(shù)與之匹配。重型燃?xì)廨啓C(jī)透平葉片尺寸大、畢渥數(shù)高，且氣膜冷卻效率在綜合冷效中占比大，這是葉片冷卻技術(shù)的關(guān)鍵。氣膜孔結(jié)構(gòu)直接影響冷卻效果，因此創(chuàng)新氣膜冷卻結(jié)構(gòu)形式、建立高效設(shè)計方法成為研究重點(diǎn)。而由于葉片吸力面下游區(qū)域不利的流動條件，較難實(shí)現(xiàn)氣膜的均勻穩(wěn)定覆蓋，亟需發(fā)展適用的高效氣膜冷卻結(jié)構(gòu)。

中國科學(xué)院工程熱物理研究所利用自主搭建的透平氣熱耦合葉柵試驗臺開展了研究，提出了垂直槽截面擴(kuò)張孔結(jié)構(gòu)。從數(shù)值研究結(jié)果可看出，與傳統(tǒng)扇形孔相比，這一結(jié)構(gòu)抑制了孔進(jìn)口的噴射效應(yīng)，削弱了孔出口下游壁附近的低動量區(qū)的范圍；氣膜孔出口處的橫向速度分布更加均勻，使提供穩(wěn)定大寬度的氣膜覆蓋成為可能。

進(jìn)一步，實(shí)驗研究結(jié)果驗證了該結(jié)構(gòu)的高效冷卻效果。在透平葉片吸力面多孔排氣膜冷卻實(shí)驗中，與傳統(tǒng)扇形孔對比，對應(yīng)吹風(fēng)比1.0、1.5和2.0，垂直槽截面擴(kuò)張孔的空間平均冷卻效率提高了6.6%、20.7%和 62.3%。同時，科研人員對該結(jié)構(gòu)在內(nèi)部帶肋橫流條件下的冷卻性能開展了研究。實(shí)驗結(jié)構(gòu)表明，在存在內(nèi)部帶肋橫流時，傳統(tǒng)扇形孔受橫流影響明顯，下游氣膜偏斜，而垂直槽孔幾乎不受橫流影響，仍可以提供理想的氣膜覆蓋，且其氣膜冷卻效果優(yōu)于傳統(tǒng)扇形孔。

該結(jié)構(gòu)為高進(jìn)口溫度等級重型燃?xì)廨啓C(jī)的透平葉片氣膜冷卻設(shè)計提供了參考支撐。

相關(guān)研究成果發(fā)表在ASME Journal of Turbomachinery上。研究工作得到國家科技重大專項的支持。

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