槽型截面孔在垂直横流通道内气膜冷却特性数值研究

　　燃气轮机热效率的提高主要通过提升涡轮进口温度实现，目前先进燃气轮机的涡轮进口温度已远超叶片材料的耐温极限，高效涡轮冷却技术是保证燃气轮机可靠运行的关键。尤其是涡轮动叶，其冷却通常采用气膜冷却与内部横流通道组合的方式，垂直横流对气膜冷却性能的影响是动叶冷却设计必须考虑的因素。 

　　 目前，横流通道内气膜冷却特性研究主要采用圆截面孔（圆柱孔或基于圆柱孔的出口扩张孔），而极少采用非圆形截面的孔型。An等人的平板模型研究表明：基于不同形式槽型截面扩张孔的气膜冷却效果远高于圆截面的扇形扩张孔，但研究使用冷气腔进气方式，垂直横流对槽型截面孔气膜冷却效果的影响未知，槽型气膜孔形状与横流和肋的相互作用机制尚不明确。本文将通过数值模拟研究，掌握垂直横流通道中槽型截面孔的气膜冷却特性，指导此类气膜冷却孔型在横流通道中的设计。 

　　图1平板模型

　　a) Fan-shaped         (b) Fusi-1          (c) Fusi-2          (d) Rect-1          (e) Rect-2 

　　图2模拟孔 

　　图 3的空间平均气膜冷却效果对比显示，扇形孔只在45度肋通道中的空间平均效果随吹风比增加而单调上升，而在光滑通道和135肋通道中均为上升、下降、再上升的趋势。四种槽型截面孔中，除了下游壁外凸梭型孔（Fusi-1）外，其它三种孔型的空间平均效果均随吹风比增大而增加，中高吹风比下，截面宽度2.0D的矩形孔（Rect-2）在三种横流通道中的空间平均效果均最高。三种横流通道中，四种槽型截面孔的空间平均气膜冷却效果均高于扇形孔，无肋光滑通道中的差距最大，45度肋通道中的差距较小，但M=2.5时Rect-2孔比扇形孔相对提高仍达29%。 

　　数值结果表明：在中高吹风比下，四种槽型截面孔的气膜冷却效果均显著优于扇形孔，光滑通道中差距最大，45度肋通道中差距最小，其中大截面宽度矩形扩张孔的气膜冷却效果在三种横流通道中均最高。由于强的横向扩张，下游壁外凸的梭形扩张孔的气膜冷却效果在三种横流通道中的变化幅度最小。四种槽形截面孔的气膜冷却效果在45度和135度带肋通道中变化均不大，即肋角度对槽形截面孔气膜冷却效果影响较弱。四种槽型截面孔中高吹风比下的出流系数在无肋通道中均高于扇形孔，而在带肋通道中，五种孔型的出流系数差别很小。 

　　图3三种横流情通道中模拟孔的面平均冷却效率 

　　以上研究得到国家科技重大专项资助，相关研究成果，已在推进技术期刊发表·EI论文一篇。