透平前进口温度是影响燃气轮机热效率的重要因素，随着燃机技术的不断发展，该温度已经远远超过了高温叶片的耐温极限，需要更高效的冷却技术与之匹配。重型燃气轮机透平叶片尺寸大、毕渥数高，气膜冷却效率在综合冷效中占比大，是叶片冷却技术的关键。气膜孔结构直接影响到冷却效果，因此创新气膜冷却结构形式、建立高效设计方法成为了研究重点。对透平叶片气膜冷却的长期研究表明，由于叶片吸力面下游区域不利的流动条件，很难实现气膜的均匀稳定覆盖，亟需发展适用的高效气膜冷却结构。
图1：垂直槽截面气膜孔结构示意图
基于上述研究背景，工程热物理研究所先进燃气轮机实验室利用自主搭建的透平气热耦合叶栅试验台开展了相关研究，提出了垂直槽截面扩张孔结构（图1）。
图2：孔中心线平面和气膜孔出口处的速度分布图
从数值研究结果可以看出，与传统扇形孔相比，该结构抑制了孔进口的喷射效应，削弱了孔出口下游壁附近的低动量区的范围，气膜孔出口处的横向速度分布更加均匀，可实现稳定大宽度的冷却气膜覆盖。实验研究结果也验证了该结构的高效冷却效果。
图3：透平叶片吸力面多排气膜冷却效果分布
在透平叶片吸力面多孔排气膜冷却实验中，与传统扇形孔进行对比，在吹风比 1.0、1.5 和 2.0条件下，垂直槽截面扩张孔的空间平均冷却效率提高了6.6%、20.7%和 62.3%。进一步的，对该结构在内部带肋横流条件下的冷却性能开展了研究。实验结果表明，在存在内部带肋横流时，传统扇形孔受横流影响明显、下游气膜偏斜，而垂直槽孔几乎不受横流影响，仍然可以提供理想的气膜覆盖，其气膜冷却效果显著优于传统扇形孔。该结构可为高进口温度等级重型燃气轮机的透平叶片气膜冷却设计提供重要参考支撑。
图5：内部带肋横流下气膜冷却效果对比
以上研究工作得到国家科技重大专项[J2019-III-0007-0050]支持，相关研究成果已在《ASME Journal of Turbomachinery》发表。
来源：先进燃气轮机实验室
编辑：史卓群
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