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(jì)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(dòng)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(yàn)臺(tái)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(dòng)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(yàn)研究結(jié)果驗(yàn)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(yàn)中，與傳統(tǒng)扇形孔對(duì)比，對(duì)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(shí)，科研人員對(duì)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(yàn)結(jié)構(gòu)表明，在存在內(nèi)部帶肋橫流時(shí)，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(jí)重型燃?xì)廨啓C(jī)的透平葉片氣膜冷卻設(shè)計(jì)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(xiàng)的支持。

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