射流角和质量流量比对涡轮端壁气膜冷却特性的影响

张韦馨，刘战胜，杨星，刘钊，丰镇平

(西安交通大学能源与动力工程学院，710049，西安)

提高涡轮的入口温度能有效提高涡轮的性能,但是涡轮进口温度受限于其热端部件金属材料的耐热性能。解决这一问题的手段目前主要有两种,一是研发可耐更高温度的材料(包括部件材料和热障涂层材料),二是采用高效率的冷却手段对这些高温部件进行保护[1]。对于材料的研发来说,目前的G级与J级燃气轮机中,运行中高温部件材料的耐温能力略大于900 ℃,热障涂层所能够提供的温度保护约为50 ℃,剩下的近600 ℃则全部靠高效的冷却技术来保证燃气轮机安全可靠运行[2]。

气膜冷却是重要的涡轮冷却技术之一,涡轮端壁受到复杂的二次流动影响,如通道涡、马蹄涡等,其冷却比较困难。在目前的设计中,比较常见的冷却方式为在涡轮的端壁入口开设槽缝或成排气膜孔,并在流道的中间布置离散气膜孔对端壁进行冷却。这种端壁冷却方案受到近端壁区域复杂流动结构的影响,其前缘根部和压力面附近区域难以冷却。因此,开展涡轮端壁气膜冷却研究对先进涡轮设计很有必要。

2005年,Thole等在其研究的前缘泄漏流对端壁的气膜冷却特性的基础上,通过对泄漏流无法冷却的区域合理布置气膜孔,从而优化了整个端壁的气膜冷却特性[3]。随后,Colban等使用数值模拟与红外热成像测量实验相结合的方法,研究了不同形状的气膜孔对端壁表面全气膜冷却特性和叶栅气动损失的影响,发现扇形孔的冷却效果优于圆形孔的[4]。……