【儀表網 研發快訊】透平前進口溫度是影響燃氣輪機熱效率的重要因素，隨著燃機技術的不斷發展，該溫度已經遠遠超過了高溫葉片的耐溫極限，需要更高效的冷卻技術與之匹配。重型燃氣輪機透平葉片尺寸大、畢渥數高，氣膜冷卻效率在綜合冷效中占比大，是葉片冷卻技術的關鍵。氣膜孔結構直接影響到冷卻效果，因此創新氣膜冷卻結構形式、建立高效設計方法成為了研究重點。對透平葉片氣膜冷卻的長期研究表明，由于葉片吸力面下游區域不利的流動條件，很難實現氣膜的均勻穩定覆蓋，亟需發展適用的高效氣膜冷卻結構。
針對上述研究背景，工程熱物理研究所先進燃氣輪機團隊利用自主搭建的透平氣熱耦合葉柵試驗臺開展了相關研究，提出了垂直槽截面擴張孔結構(圖1)。從數值研究結果可以看出，與傳統扇形孔相比，該結構抑制了孔進口的噴射效應，削弱了孔出口下游壁附近的低動量區的范圍，氣膜孔出口處的橫向速度分布更加均勻，使提供穩定大寬度的氣膜覆蓋成為可能。實驗研究結果也驗證了該結構的高效冷卻效果。在透平葉片吸力面多孔排氣膜冷卻實驗中，與傳統扇形孔進行對比，對應吹風比 1.0、1.5 和 2.0，垂直槽截面擴張孔的空間平均冷卻效率提高了6.6%、20.7%和 62.3%。進一步的，對該結構在內部帶肋橫流條件下的冷卻性能開展了研究。實驗結構表明，在存在內部帶肋橫流時，傳統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，仍然可以提供理想的氣膜覆蓋，其氣膜冷卻效果顯著優于傳統扇形孔。該結構為高進口溫度等級重型燃氣輪機的透平葉片氣膜冷卻設計提供重要參考支撐。
以上研究工作得到國家科技重大專項[J2019-III-0007-0050]支持，相關研究成果已在《ASME Journal of Turbomachinery》發表。
圖1 垂直槽截面氣膜孔結構示意圖
圖2 孔中心線平面和氣膜孔出口處的速度分布圖
圖3 透平葉片吸力面多排氣膜冷卻效果分布
圖4 不同吹風比下透平葉片吸力面多排展向平均氣膜冷卻效率對比
圖5 內部帶肋橫流下氣膜冷卻效果對比
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