工程熱物理所葉柵氣膜冷卻研究取得進(jìn)展

　　氣膜冷卻技術(shù)是現(xiàn)代燃?xì)廨啓C(jī)的關(guān)鍵技術(shù)之一。氣膜冷卻能降低燃燒室壁面、透平葉片、端壁等表面溫度，提高金屬的耐溫極限，有利于進(jìn)一步提高透平進(jìn)口溫度。但引入氣膜冷卻的同時(shí)也會導(dǎo)致冷氣和主流的摻混，從而造成氣動(dòng)損失。為了提高氣膜冷卻效果，降低氣膜冷卻摻混損失，需要對氣膜冷卻摻混機(jī)理進(jìn)行深入探究。中國科學(xué)院工程熱物理研究所工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)實(shí)驗(yàn)室的研究團(tuán)隊(duì)采用數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)測量相結(jié)合的方法，對某一級靜葉氣膜冷卻過程進(jìn)行了研究，提出了冷氣摻混損失模型和損失預(yù)測關(guān)聯(lián)式，并揭示了摻混損失機(jī)理。

　　數(shù)值研究發(fā)現(xiàn)，葉片吸力面冷氣射流引起的摻混損失明顯高于壓力面。氣膜冷卻引起的氣動(dòng)損失隨吹風(fēng)比增大而不斷上升，與冷氣-主流的動(dòng)能比近似呈線性關(guān)系。在高吹風(fēng)比下，氣膜孔內(nèi)冷氣流動(dòng)分離是氣動(dòng)損失的重要來源。非定常數(shù)值模擬結(jié)果給出了冷氣射流渦結(jié)構(gòu)的形成、發(fā)展和摻混過程。

　　在平面葉柵氣膜冷卻實(shí)驗(yàn)臺上，研究人員進(jìn)行了氣膜冷卻摻混損失測量實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，葉片表面不同位置氣膜孔的冷氣摻混損失，對吹風(fēng)比的敏感性不同，其中吸力面中后部氣膜孔的冷氣射流導(dǎo)致的摻混損失最大；在相同吹風(fēng)比下，擴(kuò)散型氣膜孔的摻混損失遠(yuǎn)大于圓柱形氣膜孔；孔型差異對氣動(dòng)損失的貢獻(xiàn)與孔排位置變化對氣動(dòng)損失的貢獻(xiàn)處于同樣的量級。因此，合理組合孔型和孔排位置，可以在提高氣膜冷卻效果的同時(shí)，降低整體氣動(dòng)損失。對于無氣膜冷卻的葉片，接近1/3的氣動(dòng)損失發(fā)生在葉片尾緣附近的尾跡區(qū)內(nèi)，加入氣膜冷卻以后，會改變?nèi)~片表面邊界層的行為，從而使尾跡區(qū)內(nèi)的分離加劇，損失進(jìn)一步增加。

　　上述研究工作得到了國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目支持，相關(guān)研究成果已經(jīng)在《工程熱物理學(xué)報(bào)》、Journal of Thermal Science、ASME Turbo 2016、GPPF 等期刊和會議上發(fā)表。

　　總壓損失系數(shù)與動(dòng)量比I和動(dòng)能比K的關(guān)系(吸力面)

　　葉柵氣膜冷卻實(shí)驗(yàn)臺示意圖               摻混損失沿程變化

　　測量平面總壓損失分布