工程熱物理所葉柵氣膜冷卻研究取得進展

　　氣膜冷卻技術是現(xiàn)代燃氣輪機的關鍵技術之一。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，有利于進一步提高透平進口溫度。但引入氣膜冷卻的同時也會導致冷氣和主流的摻混，從而造成氣動損失。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理進行深入探究。中國科學院工程熱物理研究所工業(yè)燃氣輪機實驗室的研究團隊采用數(shù)值模擬和實驗測量相結合的方法，對某一級靜葉氣膜冷卻過程進行了研究，提出了冷氣摻混損失模型和損失預測關聯(lián)式，并揭示了摻混損失機理。

　　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損失隨吹風比增大而不斷上升，與冷氣-主流的動能比近似呈線性關系。在高吹風比下，氣膜孔內冷氣流動分離是氣動損失的重要來源。非定常數(shù)值模擬結果給出了冷氣射流渦結構的形成、發(fā)展和摻混過程。

　　在平面葉柵氣膜冷卻實驗臺上，研究人員進行了氣膜冷卻摻混損失測量實驗。實驗結果表明，葉片表面不同位置氣膜孔的冷氣摻混損失，對吹風比的敏感性不同，其中吸力面中后部氣膜孔的冷氣射流導致的摻混損失最大；在相同吹風比下，擴散型氣膜孔的摻混損失遠大于圓柱形氣膜孔；孔型差異對氣動損失的貢獻與孔排位置變化對氣動損失的貢獻處于同樣的量級。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，降低整體氣動損失。對于無氣膜冷卻的葉片，接近1/3的氣動損失發(fā)生在葉片尾緣附近的尾跡區(qū)內，加入氣膜冷卻以后，會改變葉片表面邊界層的行為，從而使尾跡區(qū)內的分離加劇，損失進一步增加。

　　上述研究工作得到了國家自然科學基金重點項目支持，相關研究成果已經(jīng)在《工程熱物理學報》、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)與動量比I和動能比K的關系(吸力面)

　　葉柵氣膜冷卻實驗臺示意圖               摻混損失沿程變化

　　測量平面總壓損失分布