透平叶片劈缝出气式层板冷却特性研究

To satisfy the demand of higher gas temperature of gas turbines, it is necessary to develop more advanced turbine cooling configurations. The laminated cooling integrating convective cooling, impingement cooling and film cooling is considered as a promising turbine cooling method for advanced gas turbines. Toward improving the overall cooling effectiveness, this project presents a novel laminated cooling configuration with slot film cooling. Compared with the conventional laminated configuration, the present novel configuration can significantly improve the film cooling effectiveness and therefore a higher overall cooling effectiveness can be realized. By means of experimental and numerical research, the cooling mechanisms and the influential factors of the proposed laminated configuration will be studied and analyzed. The optimal design method of the proposed laminated configuration will be developed. The present research will promote the development of cooling design technology for the next generation gas turbines in China.

为了满足燃气轮机透平进口温度进一步提高的要求，亟需发展更加先进的透平叶片冷却方式。层板冷却集对流冷却、冲击冷却、气膜冷却于一体，具有冷气消耗量小、冷却效率高的特点，是一种很有潜力的新型冷却方式。本申请项目提出了一种适用于燃气透平叶片的劈缝出气式层板冷却结构，与常规层板冷却结构相比，该结构可显著提高气膜冷却效果，可以实现更高的综合冷效。该项目以研究高效劈缝出气式层板冷却为目标，结合实验研究和数值模拟，揭示该劈缝式层板结构的流动换热机理，分析各参数对综合冷却特性的影响规律，建立劈缝出气式层板的优化设计方法，为我国下一代燃机的透平冷却设计提供技术储备。

纵观国内外学者对层板冷却综合传热特性的研究，层板冷却是一种先进的、有潜力的高效冷却结构。由于层板结构最先用于燃烧室冷却设计中，所研究的层板结构大多沿流向和展向具有同样的排列方式。如果把典型层板直接用于叶片冷却中，由于气膜孔沿流向的间距太小，这将会消耗大量的冷却空气。本项目为了提高层板结构的气膜冷效，研究了一种自由层板，可以自由设计气膜孔沿流向和展向的间距，开展了PSP气膜冷效实验，结果证实了这种层板的优势；设计了连续劈缝和间断劈缝的冷气出流结构，使得气膜覆盖面积得到了极大提高，平板气膜冷效实验结果表明，气膜冷效可达到0.6以上，综合冷效可达到0.75以上；提出了一种层板冷却加气膜冷却组合式透平动叶叶片结构，流热耦合计算结果表明，这种新冷却结构比传统的蛇形带肋冷却叶片的壁面温度低50K以上。以上研究结果表明，与离散气膜孔相比，劈缝具有较大的流通面积，因而降低了出流冷气的动能，使得冷气出流附着的更好，因而显著提高了层板冷却中的气膜冷却效果；同时证实了把劈缝结构用在层板冷却结构中具有可性能，尤其是间断劈缝结构，可以作为离散孔的替代方案。