【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】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)的不斷發(fā)展，該溫度已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了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，氣膜冷卻效率在綜合冷效中占比大，是葉片冷卻技術(shù)的關(guān)鍵。氣膜孔結(jié)構(gòu)直接影響到冷卻效果，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(qū)域不利的流動條件，很難實現(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)。
針對上述研究背景，工程熱物理研究所先進(jìn)燃?xì)廨啓C(jī)團(tuán)隊利用自主搭建的透平氣熱耦合葉柵試驗臺開展了相關(guān)研究，提出了垂直槽截面擴(kuò)張孔結(jié)構(gòu)(圖1)。從數(shù)值研究結(jié)果可以看出，與傳統(tǒng)扇形孔相比，該結(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。實驗研究結(jié)果也驗證了該結(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驗中，與傳統(tǒng)扇形孔進(jìn)行對比，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%。進(jìn)一步的，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，仍然可以提供理想的氣膜覆蓋，其氣膜冷卻效果顯著優(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(guān)研究成果已在《ASME Journal of Turbomachinery》發(fā)表。
圖1 垂直槽截面氣膜孔結(jié)構(gòu)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(fēng)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(nèi)部帶肋橫流下氣膜冷卻效果對比
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