透平前進口溫度是影響燃氣輪機熱效率的重要因素。隨著燃機技術發展，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與之匹配。重型燃氣輪機透平葉片尺寸大、畢渥數高，且氣膜冷卻效率在綜合冷效中占比大，這是葉片冷卻技術的關鍵。氣膜孔結構直接影響冷卻效果，因此創新氣膜冷卻結構形式、建立高效設計方法成為研究重點。而由于葉片吸力面下游區域不利的流動條件，較難實現氣膜的均勻穩定覆蓋，亟需發展適用的高效氣膜冷卻結構。
中國科學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臺開展了研究，提出了垂直槽截面擴張孔結構。從數值研究結果可看出，與傳統扇形孔相比，這一結構抑制了孔進口的噴射效應，削弱了孔出口下游壁附近的低動量區的范圍；氣膜孔出口處的橫向速度分布更加均勻，使提供穩定大寬度的氣膜覆蓋成為可能。
進一步，實驗研究結果驗證了該結構的高效冷卻效果。在透平葉片吸力面多孔排氣膜冷卻實驗中，與傳統扇形孔對比，對應吹風比1.0、1.5和2.0，垂直槽截面擴張孔的空間平均冷卻效率提高了6.6%、20.7%和 62.3%。同時，科研人員對該結構在內部帶肋橫流條件下的冷卻性能開展了研究。實驗結構表明，在存在內部帶肋橫流時，傳統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于傳統扇形孔。
該結構為高進口溫度等級重型燃氣輪機的透平葉片氣膜冷卻設計提供了參考支撐。
相關研究成果發表在ASME Journal of Turbomachinery上。研究工作得到國家科技重大專項的支持。
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